JP7509450B2 - Ranging system and method for reducing transition effects in multi-range material measurements - Patents.com - Google Patents

Ranging system and method for reducing transition effects in multi-range material measurements - Patents.com Download PDF

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(関連出願の相互参照)
本願は、そのそれぞれが、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、2020年4月28日に出願されたFortneyへの米国仮特許出願第63/016,747号「ADVANCED ANALOG-TO-DIGITAL CONVERSION SYSTEMS AND METHODS」、および2020年6月3日に出願されたFortneyへの米国仮特許出願第63/034,052号「ADVANCED DIGITAL-TO-ANALOG SIGNAL GENERATION SYSTEMS AND METHODS」、および2020年7月28日に出願されたFortneyへの米国仮特許出願第63/057,745号「SYNCHRONOUS SOURCE MEASURE SYSTEMS AND METHODS」の優先権を主張する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
This application is a continuation of U.S. Provisional Patent Application No. 63/016,747, filed April 28, 2020, to Fortney, entitled "ADVANCED ANALOG-TO-DIGITAL CONVERSION SYSTEMS AND METHODS," and U.S. Provisional Patent Application No. 63/034,052, filed June 3, 2020, to Fortney, entitled "ADVANCED DIGITAL-TO-ANALOG SIGNAL GENERATION SYSTEMS AND METHODS," each of which is incorporated herein by reference in its entirety. No. 63/057,745, filed July 28, 2020, to Fortney, entitled "SYNCHRONOUS SOURCE MEASURE SYSTEMS AND METHODS."

本開示は、測定システムおよび方法に関する。より具体的には、これは、測定において使用される電子機器のレンジングの変化によって引き起こされるグリッチまたは誤差を回避することに関する。より一般的には、これは、信号供給および信号測定のための電子機器、分析器具類、ソフトウェア、およびインフラストラクチャに関する。本開示はまた、高レベルの雑音および干渉を引き起こし得る困難な実験条件下で材料およびデバイス特性評価および他の用途のために信号を測定するシステムに関する。 This disclosure relates to measurement systems and methods. More specifically, it relates to avoiding glitches or errors caused by changes in ranging of electronics used in the measurements. More generally, it relates to electronics, analytical instrumentation, software, and infrastructure for signal delivery and signal measurement. This disclosure also relates to systems for measuring signals for materials and device characterization and other applications under difficult experimental conditions that can cause high levels of noise and interference.

材料およびデバイス性質測定(例えば、ホール、移動度、およびキャリア濃度等の電子輸送性質等)は、多くの場合、性質の数ディケードまたは数桁の変化にわたる連続的測定を要求する。これを捕捉することは、分析電子機器の1つのセットを別のものに切り替えることを要求し、異なる電子機器は、測定される性質における異なる範囲(例えば、数ディケードまたは数桁)のために構成される。本切替は、測定信号におけるグリッチおよび/またはギャップを引き起こす。これはまた、測定を損なわせ得る過渡事象を引き起こすことによって等、他の方法でデータ収集プロセスを妨害する。 Materials and device property measurements (e.g., electronic transport properties such as hole, mobility, and carrier concentrations) often require continuous measurements over decades or orders of magnitude of change in the property. Capturing this requires switching from one set of analysis electronics to another, with the different electronics configured for different ranges (e.g., decades or orders of magnitude) in the property being measured. This switching causes glitches and/or gaps in the measurement signal. This also disrupts the data collection process in other ways, such as by causing transients that can corrupt the measurement.

アナログ-デジタルコンバータ(ADC)は、これらの測定システムにおいて測定信号の増幅、フィルタリング、サンプリング、およびデジタル化を行う電子機器において重要な役割を果たす。したがって、ADC信号処理は、測定される性質の範囲を含む、動作条件のために慎重に構成されなければならない。しかし、1つの範囲に関してADCシステムを慎重に構成することは、これをその他に関して不適当にする可能性が高い。これは、特に、性質が範囲を横断して変動するとき、誤差につながり得る。選択的増幅が、これらの誤差に対処することができる。しかしながら、増幅器は、その独自の誤差を導入する。それらの誤差は、増幅器雑音、オフセット、利得誤差、および位相不整合に由来する。加えて、いくつかの範囲にわたって利得を慎重に構成することは、殆どの増幅システムに欠如している柔軟性を要求する。小さい信号は、分解能および雑音性能を増加させるために、大きい利得を必要とする。信号が、測定の過程にわたって大きくなると、その同一の大きい利得が、ADCを飽和させ得る。これは、歪みおよび信号損失を引き起こし得る。 Analog-to-digital converters (ADCs) play a key role in the electronics that amplify, filter, sample, and digitize the measurement signals in these measurement systems. Therefore, the ADC signal processing must be carefully configured for the operating conditions, including the range of the property being measured. However, carefully configuring the ADC system for one range is likely to make it inappropriate for others. This can lead to errors, especially when the property varies across the range. Selective amplification can address these errors. However, the amplifier introduces its own errors. These errors come from amplifier noise, offsets, gain errors, and phase mismatch. In addition, carefully configuring the gain over several ranges requires flexibility that most amplification systems lack. Small signals require large gain to increase resolution and noise performance. As the signal becomes large over the course of the measurement, that same large gain can saturate the ADC. This can cause distortion and signal loss.

利得を構成する際の柔軟性を高めるために、増幅器段は、オンおよびオフ、または信号チェーンのインおよびアウトに切り替えられることができる。任意の所与の時点で、オンに切り替えられた増幅器は、現在の信号範囲のために構成されるものである。信号が別の範囲に入ると、システムは、新しい範囲のために構成された別の増幅器チェーンに切り替わる。しかしながら、測定におけるグリッチングおよび不連続性が、多くの場合、遷移の間に現れる。 To allow for greater flexibility in configuring gain, amplifier stages can be switched on and off, or in and out of the signal chain. At any given time, the amplifiers switched on are the ones configured for the current signal range. When the signal enters another range, the system switches to a different amplifier chain configured for the new range. However, glitching and discontinuities in the measurement often appear during the transition.

図1は、従来通りにレンジングされた測定におけるその効果を示す。具体的には、図1は、測定信号が遷移tTRを通してより低い範囲r1からより高い範囲r2に増加するときにもたらされる不連続性Dにわたる従来のレンジングデータ104を示す。図2は、図1に示される不連続性Dを引き起こし得る従来のレンジング設定120の実施例を示す。従来のレンジング設定120は、2つの利得チェーンAおよびBを含む。利得チェーンAは、より低い範囲r1(図1)の専用であり、そのために構成される。具体的には、増幅器GおよびADC Aの利得は両方とも、より低い範囲r1のために構成される。利得チェーンBは、より高い範囲r2(図2)専用であり、そのために構成される。これは、増幅器GおよびADC Bの利得がr2のために構成されることを意味する。 FIG 1 illustrates its effect on a conventionally ranged measurement. Specifically, FIG 1 illustrates conventional ranging data 104 across a discontinuity D that is introduced when the measurement signal increases from a lower range r1 to a higher range r2 through a transition tTR . FIG 2 illustrates an example of a conventional ranging setup 120 that may cause the discontinuity D illustrated in FIG 1. The conventional ranging setup 120 includes two gain chains A and B. Gain chain A is dedicated to and configured for the lower range r1 (FIG 1). Specifically, the gains of amplifier G A and ADC A are both configured for the lower range r1. Gain chain B is dedicated to and configured for the higher range r2 (FIG 2). This means that the gains of amplifier G B and ADC B are configured for r2.

測定信号が小さい(すなわち、より低い範囲r1内にある)とき、レンジング設定120のチャネル選択コンポーネント122が、利得チェーンAを選択する。測定信号がより高い範囲r2に向かって増加し、tTRにおける範囲の間で遷移する際、チャネル選択コンポーネント122は、電子機器利得チェーンBを従事させる。このように、チャネル選択コンポーネント122は、測定システムが2つの異なる範囲にわたって構成された利得を有することを確実にすることを試みる。しかしながら、図1に図式的に示されるように、遷移tTRは、測定データにおいて不連続性Dを導入し得る。これは、利得チェーンAおよびBの間の切替が、遷移先の範囲にわたって測定すること専用の機器の「ウォームアップ」または使用開始からもたらされる過渡信号、雑音、またはグリッチを導入し得るためである。 When the measurement signal is small (i.e., in the lower range r1), the channel selection component 122 of the ranging setup 120 selects gain chain A. As the measurement signal increases toward the higher range r2 and transitions between the ranges at tTR , the channel selection component 122 engages the electronics gain chain B. In this way, the channel selection component 122 attempts to ensure that the measurement system has gain configured across two different ranges. However, as shown diagrammatically in FIG. 1, the transition tTR may introduce a discontinuity D in the measurement data. This is because switching between gain chains A and B may introduce transient signals, noise, or glitches resulting from the "warming up" or start-up of the equipment dedicated to measuring across the transitioned-to range.

不連続性Dは、2つのタイプのレンジング誤差をもたらす。これらの誤差は、2つの範囲(例えば、r1およびr2)が異なる構成された増幅器プロファイル(それぞれ、AおよびB)を有するときに生じる。第1のタイプの誤差では、増幅器プロファイル不整合は、測定される出力電圧において不要な振幅不連続性または揺れ(ΔV)を引き起こす。第2のタイプである時間的データ不連続性では、データフローが、範囲間の遷移の間に遮断され得る。図1では、これは、tTRからtまでの期間におけるデータギャップに現れている。時間的データ不連続性は、変化する範囲が「ウォームアップ」または従事される新しい電子機器、具体的には、プロファイルBと関連付けられる増幅器を伴うときに起こる。データを収集することは、これらの過渡事象が消散するまで不正確または不可能である。増幅器プロファイルAと関連付けられる増幅器のクールダウンまたは停止からの過渡事象もまた、測定システムにおいて遅延またはグリッチを引き起こし得る。 Discontinuity D results in two types of ranging errors. These errors occur when two ranges (e.g., r1 and r2) have different configured amplifier profiles (A and B, respectively). In the first type of error, the amplifier profile mismatch causes unwanted amplitude discontinuities or swings (ΔV) in the measured output voltage. In the second type, temporal data discontinuities, data flow may be interrupted during the transition between ranges. In FIG. 1, this is manifested in a data gap in the period from tTR to tB . Temporal data discontinuities occur when changing ranges involve new electronics being "warmed up" or engaged, specifically, the amplifier associated with profile B. Collecting data is inaccurate or impossible until these transients dissipate. Transients from cooling down or shutting down the amplifier associated with amplifier profile A may also cause delays or glitches in the measurement system.

不連続性Dを排除するために120のような設定を構成することは、困難または不可能である。構成は、コンポーネント(G、ADC A、G、およびADC B)の単純さおよび変動性の欠如によって限定される。したがって、測定信号が数ディケードまたは数桁にわたって変動する際であっても、堅牢で高品質な低雑音源または測定信号を提供するための新しい改良された解決策の重大な必要性が、存在する。図1に示されるような不連続性を減少させる、または排除する範囲の間のより平滑な遷移を提供するための柔軟な解決策の重大な必要性が、存在する。 It is difficult or impossible to configure a setup such as 120 to eliminate discontinuity D. The configuration is limited by the simplicity and lack of variability of the components (G A , ADC A, G B , and ADC B). Thus, there is a critical need for new and improved solutions to provide a robust, high quality low noise source or measurement signal even as the measurement signal varies over decades or orders of magnitude. There is a critical need for flexible solutions to provide smoother transitions between ranges that reduce or eliminate discontinuities such as those shown in FIG. 1.

本開示の側面は、アナログ入力信号を増幅するように構成される、利得チェーンと、アナログ入力信号と複数のADCからの複数のアナログ-デジタルコンバータ(ADC)出力との間の利得を選択するように構成される、範囲セレクタであって、各ADC出力は、経路を有し、各出力経路の利得は、利得チェーンにおける複数の利得段から構成され得る、範囲セレクタと、複数のADC出力を単一の混合出力に組み合わせるように構成される、ミキサとを備える、測定システムを含む。 Aspects of the present disclosure include a measurement system including a gain chain configured to amplify an analog input signal, a range selector configured to select a gain between the analog input signal and multiple analog-to-digital converter (ADC) outputs from multiple ADCs, where each ADC output has a path, and the gain of each output path may be configured from multiple gain stages in the gain chain, and a mixer configured to combine the multiple ADC outputs into a single mixed output.

複数のADCは、第1のADCと、第2のADCとを備えてもよい。複数のADC出力を組み合わせるステップは、混合出力=αEfirst+(1-α)Esecondに従って実施されてもよく、Efirstは、第1のADCの出力であってもよく、Esecondは、第2のADCの出力であってもよく、αは、1からゼロに変動する混合パラメータであってもよい。本システムは、2つまたはそれを上回るADCを備えてもよい。利得チェーンの第1の部分は、複数のADCのうちの第1のものに接続されてもよく、利得チェーンの第2の部分は、複数のADCのうちの第2のものに接続されてもよい。範囲セレクタは、利得チェーンの第1の部分から複数のADCのうちの第1のものに関する利得を選択してもよく、利得チェーンの第2の部分から複数のADCのうちの第2のものに関する利得を選択してもよい。利得チェーンにおける利得段はそれぞれ、1つまたはそれを上回るスイッチバンクを介して複数のADCのそれぞれに接続されてもよい。範囲セレクタは、1つまたはそれを上回るスイッチバンクにおけるスイッチを設定することによって、複数のADCのうちの第1のものに関する共有利得段の第1の部分および複数のADCのうちの第2のものに関する共有利得段の第2の部分を選択してもよい。範囲セレクタは、第1および第2のマルチプレクサを備えてもよい。第1のマルチプレクサは、共有利得段の第1の部分を選択してもよい。第2のマルチプレクサは、共有利得段の第2の部分を選択してもよい。 The plurality of ADCs may comprise a first ADC and a second ADC. The step of combining the plurality of ADC outputs may be performed according to mixed output=αE first +(1−α)E second , where E first may be the output of the first ADC, E second may be the output of the second ADC, and α may be a mixing parameter that ranges from one to zero. The system may comprise two or more ADCs. A first portion of a gain chain may be connected to a first one of the plurality of ADCs, and a second portion of the gain chain may be connected to a second one of the plurality of ADCs. A range selector may select a gain for a first one of the plurality of ADCs from the first portion of the gain chain, and may select a gain for a second one of the plurality of ADCs from the second portion of the gain chain. Each of the gain stages in the gain chain may be connected to each of the plurality of ADCs via one or more switch banks. The range selector may select a first portion of the shared gain stage for a first one of the plurality of ADCs and a second portion of the shared gain stage for a second one of the plurality of ADCs by setting switches in one or more switch banks. The range selector may comprise first and second multiplexers. The first multiplexer may select the first portion of the shared gain stage. The second multiplexer may select the second portion of the shared gain stage.

共有利得段の第1の部分の選択は、複数のADCのうちの第1のものに関する利得を構成するステップを含んでもよく、共有利得段の第2の部分の選択は、複数のADCのうちの第2のものに関する利得を構成するステップを含んでもよい。複数のADCのうちの第1および第2のものに関する利得を構成するステップは、入力信号の少なくとも1つの範囲に従って利得を構成するステップを含んでもよい。ミキサは、入力信号が第1の範囲内にあり得るとき、単一の混合出力として第1のADCからの出力を選択するように構成されてもよい。ミキサは、入力信号が第2の範囲内にあり得るとき、単一の混合出力として第2のADCからの出力を選択するように構成されてもよい。ミキサは、入力信号が第1および第2の範囲の間にあり得るとき、単一の混合出力として第1および第2のADCからの出力の混合物を選択するように構成されてもよい。 Selecting a first portion of the shared gain stage may include configuring a gain for a first one of the plurality of ADCs, and selecting a second portion of the shared gain stage may include configuring a gain for a second one of the plurality of ADCs. Configuring the gains for the first and second ones of the plurality of ADCs may include configuring the gains according to at least one range of the input signal. The mixer may be configured to select an output from the first ADC as a single mixed output when the input signal may be within a first range. The mixer may be configured to select an output from the second ADC as a single mixed output when the input signal may be within a second range. The mixer may be configured to select a mixture of outputs from the first and second ADCs as a single mixed output when the input signal may be between the first and second ranges.

本システムは、入力信号が第1の範囲内にあり得るとき、第1の遷移周期の間に第2のADCをオンラインに維持してもよい。本システムは、入力信号が第2の範囲内にあり得るとき、第2の周期の間に第1のADCをオンラインに維持してもよい。範囲セレクタは、入力信号の予想範囲に基づいて、第1のADCおよび第2のADCのうちの少なくとも1つに関する利得を構成するように構成されてもよい。ヒステリシス周期の間、本システムは、第1のADCをオフラインに維持してもよい。本システムは、第2のADCをオンラインに維持してもよい。本システムは、第2のADCの利得を一定に維持してもよい。ヒステリシス周期は、第1の遷移周期と第2の遷移周期との間であってもよい。 The system may maintain the second ADC online during a first transition period when the input signal may be within a first range. The system may maintain the first ADC online during a second period when the input signal may be within a second range. The range selector may be configured to configure a gain for at least one of the first ADC and the second ADC based on an expected range of the input signal. During a hysteresis period, the system may maintain the first ADC offline. The system may maintain the second ADC online. The system may maintain the gain of the second ADC constant. The hysteresis period may be between the first transition period and the second transition period.

複数のADC出力経路は、高範囲および低範囲経路に独立して構成され得る、2つのADC出力経路を備えてもよい。低範囲経路は、アナログ入力信号を変換するための第1の利得を有してもよい。高範囲経路は、アナログ入力信号を変換するための第2の利得を有してもよい。第2の利得は、第1の利得よりも低くてもよい。経路は、より低い範囲の出力をより高い範囲の出力と組み合わせるように構成される、混合デバイスを備えてもよい。本システムは、低範囲経路および高範囲経路から組み合わせられた利得の量を変動させるように構成される、デバイスを備えてもよい。高範囲経路は、第1の利得チェーンに接続されてもよく、低範囲経路は、第2の利得チェーンに接続されてもよい。本システムは、第1の利得に関する第1の利得チェーンの利得段を選択し、第2の利得に関する第2の利得チェーンの利得段を選択するためのセレクタを備えてもよい。第1および第2の利得はそれぞれ、低範囲経路および高範囲経路に共通の利得チェーンにおける利得段を備えてもよい。各出力経路の利得は、実質的に同一であってもよい。ミキサは、各経路からの出力を平均化し、単一の出力における雑音を低減させてもよい。 The multiple ADC output paths may comprise two ADC output paths that may be independently configured into high-range and low-range paths. The low-range path may have a first gain for converting the analog input signal. The high-range path may have a second gain for converting the analog input signal. The second gain may be lower than the first gain. The paths may comprise a mixing device configured to combine the lower-range output with the higher-range output. The system may comprise a device configured to vary the amount of gain combined from the low-range and high-range paths. The high-range path may be connected to a first gain chain, and the low-range path may be connected to a second gain chain. The system may comprise a selector for selecting a gain stage of the first gain chain for the first gain and a gain stage of the second gain chain for the second gain. The first and second gains may each comprise a gain stage in a gain chain common to the low-range and high-range paths. The gains of each output path may be substantially identical. The mixer may average the output from each path to reduce noise in a single output.

本開示の側面はさらに、利得チェーンを使用してアナログ入力信号を増幅するステップと、アナログ入力信号と複数のADCからの複数のアナログ-デジタルコンバータ(ADC)出力との間の利得を選択するステップであって、各ADC出力は、経路を有し、各出力経路の利得は、利得チェーンにおける利得段から構成され得る、ステップと、複数のADC出力を単一の混合出力に組み合わせるステップとを含んでもよい。 Aspects of the present disclosure may further include amplifying an analog input signal using a gain chain, selecting a gain between the analog input signal and multiple analog-to-digital converter (ADC) outputs from multiple ADCs, where each ADC output has a path and the gain of each output path may be configured with a gain stage in the gain chain, and combining the multiple ADC outputs into a single mixed output.

利得チェーンの第1の部分は、複数のADCのうちの第1のものに接続されてもよく、利得チェーンの第2の部分は、複数のADCのうちの第2のものに接続されてもよい。利得チェーンにおける利得段はそれぞれ、1つまたはそれを上回るスイッチバンクを介して複数のADCのそれぞれに接続されてもよい。本方法はさらに、2つのADC出力経路を独立して高範囲および低範囲経路に構成するステップを含んでもよい。本方法は、低範囲経路からの第1の利得を適用し、アナログ入力信号を変換するステップを含んでもよい。本方法は、高範囲経路からの第2の利得を適用し、アナログ入力信号を変換するステップを含み、第2の利得は、第1の利得よりも低くてもよい。本方法は、より低い範囲の出力をより高い範囲の出力と組み合わせるステップを含んでもよい。本方法は、高範囲経路および低範囲経路から組み合わせられた利得の量を変動させるステップを含んでもよい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
測定システムであって、
アナログ入力信号を増幅するように構成される利得チェーンと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ-デジタルコンバータ(ADC)からの複数のADC出力との間の利得を選択するように構成される範囲セレクタであって、各ADC出力は、経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける複数の利得段から構成される、範囲セレクタと、
前記複数のADC出力を単一の混合出力に組み合わせるように構成されるミキサと
を備える、測定システム。
(項目2)
前記複数のADCは、第1のADCと、第2のADCとを備え、
前記複数のADC出力を組み合わせることは、
混合出力=αE first +(1-α)E second
に従って実施され、
式中、
first は、前記第1のADCの出力であり、
second は、前記第2のADCの出力であり、
αは、1からゼロに変動する混合パラメータである、
項目1に記載のシステム。
(項目3)
2つまたはそれを上回るADCを備える、項目1および2のいずれか1項に記載のシステム。
(項目4)
前記利得チェーンの第1の部分は、前記複数のADCのうちの第1のものに接続され、前記利得チェーンの第2の部分は、前記複数のADCのうちの第2のものに接続されることと、
前記複数のADCは、少なくとも2つのタイプのADCを備えることと
のうちの少なくとも1つである、項目1-3のいずれか1項に記載のシステム。
(項目5)
前記範囲セレクタは、前記利得チェーンの第1の部分から前記複数のADCのうちの第1のものに関する利得を選択し、前記利得チェーンの第2の部分から前記複数のADCのうちの第2のものに関する利得を選択する、項目4に記載のシステム。
(項目6)
前記利得チェーンにおける前記利得段はそれぞれ、1つまたはそれを上回るスイッチバンクを介して前記複数のADCのそれぞれに接続される、項目1-5のいずれか1項に記載のシステム。
(項目7)
前記範囲セレクタは、前記1つまたはそれを上回るスイッチバンクにおけるスイッチを設定することによって、前記複数のADCのうちの第1のものに関する前記共有利得段の第1の部分および前記複数のADCのうちの第2のものに関する前記共有利得段の第2の部分を選択する、項目6に記載のシステム。
(項目8)
前記範囲セレクタは、第1および第2のマルチプレクサを備え、
前記第1のマルチプレクサは、前記共有利得段の第1の部分を選択し、前記第2のマルチプレクサは、前記共有利得段の第2の部分を選択する、
項目6に記載のシステム。
(項目9)
前記共有利得段の第1の部分の選択は、前記複数のADCのうちの第1のものに関する利得を構成することを含み、前記共有利得段の第2の部分の選択は、前記複数のADCのうちの第2のものに関する利得を構成することを含む、項目8に記載のシステム。
(項目10)
前記複数のADCのうちの第1および第2のものに関する利得を構成することは、前記入力信号の少なくとも1つの範囲に従って前記利得を構成することを含む、項目9に記載のシステム。
(項目11)
前記ミキサは、
前記入力信号が第1の範囲内にあるとき、前記単一の混合出力として第1のADCからの出力を選択することと、
前記入力信号が第2の範囲内にあるとき、前記単一の混合出力として第2のADCからの出力を選択することと、
前記入力信号が前記第1および第2の範囲の間にあるとき、前記単一の混合出力として前記第1および第2のADCからの前記出力の混合物を選択することと
を行うように構成される、項目1-10のいずれか1項に記載のシステム。
(項目12)
前記システムは、
前記入力信号が前記第1の範囲内にあるとき、第1の遷移周期の間に前記第2のADCをオンラインに維持し、
前記入力信号が前記第2の範囲内にあるとき、第2の周期の間に前記第1のADCをオンラインに維持する、
項目11に記載のシステム。
(項目13)
前記範囲セレクタは、前記入力信号の予想範囲に基づいて、前記第1のADCおよび第2のADCのうちの少なくとも1つに関する利得を構成するように構成される、項目12に記載のシステム。
(項目14)
ヒステリシス周期の間、前記システムは、
前記第1のADCをオフラインに維持し、
前記第2のADCをオンラインに維持し、
前記第2のADCの利得を一定に維持する、
項目12に記載のシステム。
(項目15)
前記ヒステリシス周期は、前記第1の遷移周期と前記第2の遷移周期との間である、項目14に記載のシステム。
(項目16)
前記複数のADC出力経路は、
高範囲経路および低範囲経路に独立して構成され得る2つのADC出力経路であって、
前記低範囲経路は、前記アナログ入力信号を変換するための第1の利得を有し、
前記高範囲経路は、前記アナログ入力信号を変換するための第2の利得を有し、前記第2の利得は、前記第1の利得よりも低い、
2つのADC出力経路と、
前記より低い範囲の出力を前記より高い範囲の出力と組み合わせるように構成される混合デバイスと、
前記低範囲経路および前記高範囲経路から組み合わせられた利得の量を変動させるように構成されるデバイスと
を備える、項目1-15のいずれか1項に記載のシステム。
(項目17)
前記高範囲経路は、第1の利得チェーンに接続され、前記低範囲経路は、第2の利得チェーンに接続される、項目16に記載のシステム。
(項目18)
前記第1の利得に関する前記第1の利得チェーンの利得段を選択し、前記第2の利得に関する前記第2の利得チェーンの利得段を選択するためのセレクタをさらに備える、項目16に記載のシステム。
(項目19)
前記第1および第2の利得はそれぞれ、前記低範囲経路および前記高範囲経路に共通の利得チェーンにおける利得段を備える、項目16に記載のシステム。
(項目20)
各出力経路の前記利得は、実質的に同一であり、
前記ミキサは、各経路からの前記出力を平均化し、前記単一の出力における雑音を低減させる、
項目1-19のいずれか1項に記載のシステム。
(項目21)
方法であって、
利得チェーンを使用してアナログ入力信号を増幅することと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ-デジタルコンバータ(ADC)からの複数のADC出力との間の利得を選択することであって、各ADC出力は、経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける利得段から構成される、ことと、
前記複数のADC出力を単一の混合出力に組み合わせることと
を含む、方法。
(項目22)
前記利得チェーンの第1の部分は、前記複数のADCのうちの第1のものに接続され、前記利得チェーンの第2の部分は、前記複数のADCのうちの第2のものに接続される、項目21に記載の方法。
(項目23)
前記利得チェーンにおける前記利得段はそれぞれ、1つまたはそれを上回るスイッチバンクを介して前記複数のADCのそれぞれに接続される、項目21および22のいずれか1項に記載の方法。
(項目24)
2つのADC出力経路を独立して高範囲経路および低範囲経路に構成することと、
前記低範囲経路からの第1の利得を適用し、前記アナログ入力信号を変換することと、
前記高範囲経路からの第2の利得を適用し、前記アナログ入力信号を変換することであって、前記第2の利得は、前記第1の利得よりも低い、ことと、
前記より低い範囲の出力を前記より高い範囲の出力と組み合わせることと、
前記高範囲経路および前記低範囲経路から組み合わせられた利得の量を変動させることと
をさらに含む、項目21-23のいずれか1項に記載の方法。
A first portion of the gain chain may be connected to a first of the plurality of ADCs, and a second portion of the gain chain may be connected to a second of the plurality of ADCs. Each of the gain stages in the gain chain may be connected to each of the plurality of ADCs via one or more switch banks. The method may further include independently configuring the two ADC output paths into high-range and low-range paths. The method may include applying a first gain from the low-range path to convert the analog input signal. The method may include applying a second gain from the high-range path to convert the analog input signal, the second gain being lower than the first gain. The method may include combining a lower-range output with a higher-range output. The method may include varying an amount of combined gain from the high-range path and the low-range path.
The present invention provides, for example, the following:
(Item 1)
1. A measurement system comprising:
a gain chain configured to amplify the analog input signal;
a range selector configured to select a gain between the analog input signal and a plurality of analog-to-digital converter (ADC) outputs from a plurality of ADCs, each ADC output having a path, the gain of each output path being composed of a plurality of gain stages in the gain chain;
a mixer configured to combine the multiple ADC outputs into a single mixed output;
A measurement system comprising:
(Item 2)
the plurality of ADCs includes a first ADC and a second ADC;
Combining the plurality of ADC outputs comprises:
Mixed output = αE first + (1-α)E second
Implemented in accordance with
In the formula,
E first is the output of the first ADC;
E second is the output of the second ADC;
α is a mixing parameter that ranges from 1 to zero.
2. The system according to item 1.
(Item 3)
3. The system of any one of claims 1 and 2, comprising two or more ADCs.
(Item 4)
a first portion of the gain chain coupled to a first one of the plurality of ADCs and a second portion of the gain chain coupled to a second one of the plurality of ADCs;
the plurality of ADCs comprises at least two types of ADCs;
The system according to any one of items 1 to 3, wherein the system comprises at least one of the following:
(Item 5)
5. The system of claim 4, wherein the range selector selects a gain for a first one of the plurality of ADCs from a first portion of the gain chain and selects a gain for a second one of the plurality of ADCs from a second portion of the gain chain.
(Item 6)
6. The system of any one of claims 1-5, wherein each of the gain stages in the gain chain is connected to each of the plurality of ADCs via one or more switch banks.
(Item 7)
7. The system of claim 6, wherein the range selector selects a first portion of the shared gain stage for a first one of the plurality of ADCs and a second portion of the shared gain stage for a second one of the plurality of ADCs by setting switches in the one or more switch banks.
(Item 8)
the range selector comprises first and second multiplexers;
the first multiplexer selects a first portion of the shared gain stage and the second multiplexer selects a second portion of the shared gain stage.
7. The system according to item 6.
(Item 9)
9. The system of claim 8, wherein selecting a first portion of the shared gain stage includes configuring a gain for a first one of the plurality of ADCs and selecting a second portion of the shared gain stage includes configuring a gain for a second one of the plurality of ADCs.
(Item 10)
10. The system of claim 9, wherein configuring a gain for a first and second one of the plurality of ADCs comprises configuring the gain according to at least one range of the input signal.
(Item 11)
The mixer includes:
selecting an output from a first ADC as the single mixed output when the input signal is within a first range;
selecting an output from a second ADC as the single mixed output when the input signal is within a second range;
selecting a mixture of the outputs from the first and second ADCs as the single mixed output when the input signal is between the first and second ranges;
The system according to any one of items 1 to 10, configured to perform the following:
(Item 12)
The system comprises:
maintaining the second ADC online during a first transition period when the input signal is within the first range;
maintaining the first ADC online during a second period when the input signal is within the second range;
Item 12. The system according to item 11.
(Item 13)
13. The system of claim 12, wherein the range selector is configured to configure a gain for at least one of the first and second ADCs based on an expected range of the input signal.
(Item 14)
During the hysteresis period, the system:
maintaining the first ADC offline;
maintaining said second ADC online;
maintaining the gain of the second ADC constant;
Item 13. The system according to item 12.
(Item 15)
15. The system of claim 14, wherein the hysteresis period is between the first transition period and the second transition period.
(Item 16)
The plurality of ADC output paths include:
Two ADC output paths that can be independently configured into a high range path and a low range path,
the low range path having a first gain for converting the analog input signal;
the high range path has a second gain for converting the analog input signal, the second gain being lower than the first gain;
Two ADC output paths;
a mixing device configured to combine the lower range output with the higher range output;
a device configured to vary the amount of combined gain from the low range path and the high range path;
The system according to any one of items 1 to 15, comprising:
(Item 17)
17. The system of claim 16, wherein the high range path is connected to a first gain chain and the low range path is connected to a second gain chain.
(Item 18)
17. The system of claim 16, further comprising a selector for selecting a gain stage of the first gain chain for the first gain and for selecting a gain stage of the second gain chain for the second gain.
(Item 19)
17. The system of claim 16, wherein the first and second gains each comprise a gain stage in a gain chain common to the low range path and the high range path.
(Item 20)
the gain of each output path being substantially the same;
the mixer averages the output from each path to reduce noise at the single output;
20. The system of any one of items 1-19.
(Item 21)
1. A method comprising:
amplifying an analog input signal using a gain chain;
selecting a gain between the analog input signal and a plurality of analog-to-digital converter (ADC) outputs from a plurality of ADCs, each ADC output having a path, the gain of each output path being configured from a gain stage in the gain chain;
combining said multiple ADC outputs into a single mixed output;
A method comprising:
(Item 22)
22. The method of claim 21, wherein a first portion of the gain chain is connected to a first one of the plurality of ADCs and a second portion of the gain chain is connected to a second one of the plurality of ADCs.
(Item 23)
23. The method of any one of claims 21 and 22, wherein each of the gain stages in the gain chain is connected to each of the plurality of ADCs via one or more switch banks.
(Item 24)
Configuring two ADC output paths independently into a high range path and a low range path;
applying a first gain from the low range path to convert the analog input signal;
applying a second gain from the high range path to convert the analog input signal, the second gain being lower than the first gain; and
combining said lower range output with said higher range output;
Varying the amount of combined gain from the high range path and the low range path;
24. The method according to any one of items 21 to 23, further comprising:

図1は、シームレスなレンジング能力を伴わない典型的な測定システムによって収集されたデータに対する範囲遷移の効果を示す。FIG. 1 shows the effect of range transitions on data collected by a typical measurement system without seamless ranging capabilities.

図2は、図1に示される不連続性Dを引き起こし得る、従来のレンジング設定120の実施例を示す。FIG. 2 shows an example of a conventional ranging configuration 120 that may cause the discontinuity D shown in FIG.

図3は、シームレス(連続的)なレンジング302を伴う電圧測定を、シームレスなレンジング能力が欠如する従来の設定104(図1から)によって行われた同一の測定と比較する。FIG. 3 compares a voltage measurement with seamless ranging 302 with the same measurement made with a conventional setup 104 (from FIG. 1) that lacks seamless ranging capabilities.

図4は、二重増幅チェーンを介してシームレスなレンジングを実装する一変形例400である。FIG. 4 is one variation 400 that implements seamless ranging via dual amplification chains.

図5は、本開示の側面による、別の例示的増幅チェーン500を示す。FIG. 5 illustrates another exemplary amplification chain 500 according to an aspect of the present disclosure.

図6Aは、本開示の側面による、自動レンジングアルゴリズム600の概略実施例を提供する。FIG. 6A provides a schematic example of an automatic ranging algorithm 600 in accordance with an aspect of the present disclosure.

図6Bは、自動レンジングアルゴリズム600に対応する測定データを示す。FIG. 6B shows measurement data corresponding to the automatic ranging algorithm 600.

図6Cは、フローチャートの形態においてアルゴリズム600を示す。FIG. 6C illustrates the algorithm 600 in flow chart form.

図6Dは、フローチャートの形態において別の自動レンジングアルゴリズム620を示す。FIG. 6D illustrates another auto ranging algorithm 620 in flow chart form.

図7Aは、本開示の側面による、複数のADC(すなわち、ADC A 708aおよびADC B 708b)を使用する間に利得段を共有する、別の変形例700を示す。FIG. 7A illustrates another variation 700 for sharing gain stages while using multiple ADCs (ie, ADC A 708a and ADC B 708b) in accordance with an aspect of the present disclosure.

図7Bは、変形例700の測定信号750aがtTRにおけるr1/r2遷移において大きさにおける不連続性752を呈することを示す。FIG. 7B shows that the measurement signal 750a of the variation 700 exhibits a discontinuity 752 in magnitude at the r1/r2 transition in tTR .

図8は、本開示の側面による、利得チェーン700cに先立つ前置増幅器(プリアンプ)804aおよび/または2つの経路のうちの1つにおけるプリアンプ804bを設置する、別の変形例800を示す。FIG. 8 illustrates another variation 800 in accordance with aspects of the present disclosure that places a preamplifier (preamp) 804a prior to the gain chain 700c and/or a preamplifier 804b in one of the two paths.

図9は、本開示の側面による、不連続性752を排除または減少させることにダイレクトされる補間アルゴリズム910を示す。FIG. 9 illustrates an interpolation algorithm 910 directed to eliminating or reducing discontinuities 752 in accordance with an aspect of this disclosure.

図10Aは、本開示に従って使用され得る、利得選択の一般化された変形例1000を示す。FIG. 10A illustrates a generalized variation 1000 of gain selection that may be used in accordance with this disclosure.

図10Bは、変形例1000を使用して作成され得る、例示的利得経路(利得経路A)を示す。FIG. 10B shows an example gain path (Gain Path A) that may be created using variation 1000.

図10Cは、2つの変形例、すなわち、高範囲および低範囲変形例を含む、変形例1000の別の利得経路(利得経路B)を示す。FIG. 10C illustrates another gain path (gain path B) of variation 1000 that includes two variations, a high range and a low range variation.

図11は、本開示の側面による、利得段セレクタ1116a-1116nによる可変利得選択を含む、別の変形例1100を示す。FIG. 11 illustrates another variation 1100 including variable gain selection by gain stage selectors 1116a-1116n in accordance with an aspect of the disclosure.

図12Aは、範囲ミキサ410、510、710、1010、および1110によって実施され得る、例示的混合および自動レンジングアルゴリズム1200の概略図である。FIG. 12A is a schematic diagram of an exemplary mixing and auto-ranging algorithm 1200 that may be implemented by range mixers 410 , 510 , 710 , 1010 , and 1110 .

図12Bは、範囲ミキサ410、510、710、1010、および1110によって実施され得る、非対称自動レンジングアルゴリズム1250を示す。FIG. 12B illustrates an asymmetric auto-ranging algorithm 1250 that may be implemented by range mixers 410 , 510 , 710 , 1010 , and 1110 .

図13Aは、本明細書に開示されるアルゴリズム(例えば、600、620、910、1200、および1250)を実装する際に範囲ミキサ410、510、710、1010、および1110によって実施され得る、範囲変化予想アルゴリズム1300を表す、フローチャート1300を示す。FIG. 13A shows a flowchart 1300 illustrating a range change prediction algorithm 1300 that may be performed by range mixers 410, 510, 710, 1010, and 1110 when implementing the algorithms disclosed herein (eg, 600, 620, 910, 1200, and 1250).

図13Bは、フローチャート1300の別の部分を示す。FIG. 13B shows another portion of the flowchart 1300.

図13Cは、フローチャート1300の別の部分を示す。FIG. 13C shows another portion of the flowchart 1300.

図14は、範囲混合アルゴリズム1400の例示的実装を示す。FIG. 14 shows an example implementation of the range blending algorithm 1400 . 図14は、範囲混合アルゴリズム1400の例示的実装を示す。FIG. 14 shows an example implementation of the range blending algorithm 1400 .

図15は、変形例400、500、700、800、1000、1100およびアルゴリズム600、620、910、1200、1250、1300、および1400を使用し得る、例示的ヘッドユニット1550と例示的測定ポッド1560との間の測定信号チェーン1500を図示する。FIG. 15 illustrates a measurement signal chain 1500 between an example head unit 1550 and an example measurement pod 1560 that may use variations 400, 500, 700, 800, 1000, 1100 and algorithms 600, 620, 910, 1200, 1250, 1300, and 1400.

図16は、本開示の側面による、ヘッドユニット1550が、3つの測定タイプポッド1560aおよび3つの源タイプポッド1560bをサポートし得る6つのチャネルを有し得る、別の例示的変形例1600を示す。FIG. 16 illustrates another example variation 1600 in which a head unit 1550 may have six channels that may support three measurement type pods 1560a and three source type pods 1560b in accordance with an aspect of the disclosure.

詳細な説明
本開示は、比較的に少ない誤差、雑音、またはグリッチングを伴う幅広い動的範囲にわたる測定に適応し得るシステムおよび方法を導入する。ここでは、「グリッチング」は、測定または動作に悪影響を及ぼし得る意図せぬ不規則性または不一致を指す。本明細書に開示される変形例は、いくつかの異なる方法でこれを遂行する。1つの方法は、別個の範囲に関して利得チェーンを別個かつ動的に構成することである。別のものは、範囲に関する利得プロファイルを混合することによって、別個の範囲をともにまとめることである。さらに別のものは、別個の範囲に動的に割り当てられ得る共有利得段を導入することである。これらおよびさらなる方法は、概して、本明細書では「シームレスなレンジング」と称される。それらは、下記により詳細に議論される。
DETAILED DESCRIPTION The present disclosure introduces systems and methods that can accommodate measurements over a wide dynamic range with relatively little error, noise, or glitching. Here, "glitching" refers to unintended irregularities or inconsistencies that can adversely affect measurements or operations. The variations disclosed herein accomplish this in several different ways. One way is to separately and dynamically configure gain chains for the separate ranges. Another is to string the separate ranges together by blending the gain profiles for the ranges. Yet another is to introduce a shared gain stage that can be dynamically assigned to the separate ranges. These and further methods are generally referred to herein as "seamless ranging." They are discussed in more detail below.

図3は、本開示によるシームレスなレンジング302を伴う電圧測定を、シームレスなレンジング能力が欠如する従来の設定104によって行われた同一の測定と比較する。図3は、範囲遷移Δtにわたる測定データ104における不連続性Dを示す。これは、異なる測定プロファイル(例えば、正確度、利得等)を伴うデバイスの異なるセットが、範囲r1およびr2においてデータを測定するために使用されるためである。議論されるように、システム120における範囲r1とr2との間の切替は、遷移先の範囲(r2)にわたって測定すること専用の機器の「ウォームアップ」または使用開始からもたらされる過渡信号、雑音、またはグリッチを伴い得る。 Figure 3 compares a voltage measurement with seamless ranging 302 according to the present disclosure to the same measurement made by a conventional setup 104 lacking seamless ranging capabilities. Figure 3 shows a discontinuity D in the measurement data 104 across the range transition Δt because a different set of devices with different measurement profiles (e.g., accuracy, gain, etc.) are used to measure data in ranges r1 and r2. As discussed, switching between ranges r1 and r2 in system 120 may involve transient signals, noise, or glitches resulting from the "warm-up" or start-up of equipment dedicated to measuring across the transitioned range (r2).

図3はまた、遷移Δtが本明細書に説明されるシームレスなレンジング能力によって平滑化され得る(連続的レンジング測定データ302)方法を示す。本平滑化効果は、連続的レンジングデータ302による不連続性Dの回避として図3に表される。2つのみの例示的範囲r1およびr2が、図3の文脈において議論されるが、連続的レンジング技法が、特定の測定に関連する任意の好適な数の範囲に適用され得ることを理解されたい。例えば、範囲の数は、ある場合には、3つ、4つ、またはそれを上回るものであってもよい。これらの場合のそれぞれでは、連続的レンジングは、範囲変化の方向にかかわらず(すなわち、範囲変化が図3に示されるような増加または測定値の減少(図示せず)を伴うかどうかにかかわらず)、各範囲変化の間の平滑な遷移を確実にするように構成されることができる。 3 also illustrates how the transition Δt can be smoothed by the seamless ranging capabilities described herein (continuous ranging measurement data 302). This smoothing effect is represented in FIG. 3 as the avoidance of discontinuities D by the continuous ranging data 302. Although only two example ranges r1 and r2 are discussed in the context of FIG. 3, it should be understood that the continuous ranging technique can be applied to any suitable number of ranges associated with a particular measurement. For example, the number of ranges may be three, four, or more in some cases. In each of these cases, the continuous ranging can be configured to ensure a smooth transition between each range change, regardless of the direction of the range change (i.e., whether the range change involves an increase as shown in FIG. 3 or a decrease in the measurement (not shown)).

連続的レンジングは、独立して、および/または並行して適用され得る別個の信号増幅/利得チェーンを使用して、2つの範囲r1およびr2に対処する。実施例として、具体的実装が、図4および5の文脈において下記に議論されるであろう。各範囲r1およびr2に別個に、および/または並行して対処することは、データがアクティブな増幅変化によって収集されることに基づいて、非アクティブまたは「コールド」範囲(すなわち、測定において現在採用されていない範囲、例えば、t<tTRであるときの範囲r2またはt>tTRであるときの範囲r1)に関する増幅チェーンの構成を可能にする。非アクティブまたはコールド範囲に関する増幅チェーンをアクティブ範囲測定と並行してオンラインに保つことは、非アクティブ範囲が最終的に従事されるときの始動過渡事象を回避することができる。これはまた、範囲r1からr2への(逆もまた同様である)遷移Δtにわたるデータの平滑な変化を促進するために、範囲毎の利得チェーンが組み合わせて適用される、「範囲混合」を可能にする。すなわち、両方の範囲からの増幅チェーンが、範囲遷移Δtにわたってデータを平滑化するために、同時に適用されることができる。これは、例えば、ソフトウェアミキサを介して行われることができる、および/または次いで、r1からr2に平滑に遷移することができ、逆もまた同様である。 Continuous ranging addresses the two ranges r1 and r2 using separate signal amplification/gain chains that can be applied independently and/or in parallel. As an example, a specific implementation will be discussed below in the context of Figs. 4 and 5. Addressing each range r1 and r2 separately and/or in parallel allows the configuration of amplification chains for the inactive or "cold" ranges (i.e., ranges not currently employed in the measurement, e.g., range r2 when t< tTR or range r1 when t> tTR ) on the basis that data is collected by active amplification changes. Keeping the amplification chains for the inactive or cold ranges online in parallel with the active range measurements can avoid start-up transients when the inactive ranges are eventually engaged. This also allows "range mixing," where gain chains per range are applied in combination to promote a smooth change in data over the transition Δt from range r1 to r2 (or vice versa). That is, amplification chains from both ranges can be applied simultaneously to smooth the data over the range transition Δt. This can be done, for example, via a software mixer and/or can then smoothly transition from r1 to r2 and vice versa.

図4は、二重増幅チェーンを介してシームレスなレンジングを実装する一変形例400である。図4に示されるように、より低い利得チェーン402(すなわち、より低い増幅を有する利得チェーン)およびより高い利得チェーン404(すなわち、より高い増幅を有する利得チェーン)は、1)異なるADC(それぞれ、408aおよび408b)および2)これにより低い利得チェーン402よりも高い利得を与える、より高い利得チェーン404における付加的増幅器406を除いて、同じである。ADC408aおよび408bからの出力は、ミキサ410によって組み合わせられ、レンジング測定のために測定ポッド104の入手ルーチンにおいて使用される。チェーン400において、組み合わせは、係数αによって加重されることができる。係数αは、(例えば、図3の不連続性Dを回避するための範囲混合を使用して)レンジング遷移Δtにわたる平滑な遷移を確実にするために、動的に選定されることができる。係数αは、ユーザによって設定されることができるが、これは、多くの場合、レンジングアルゴリズム(例えば、下記により詳細に議論されるアルゴリズム600、650、910、1200、1250、1300、および1400)によって設定される。 4 is one variation 400 that implements seamless ranging via dual amplification chains. As shown in FIG. 4, the lower gain chain 402 (i.e., the gain chain with lower amplification) and the higher gain chain 404 (i.e., the gain chain with higher amplification) are the same except for 1) different ADCs (408a and 408b, respectively) and 2) an additional amplifier 406 in the higher gain chain 404, which gives it a higher gain than the lower gain chain 402. The outputs from the ADCs 408a and 408b are combined by a mixer 410 and used in the acquisition routine of the measurement pod 104 for ranging measurements. In the chain 400, the combination can be weighted by a factor α. The factor α can be dynamically chosen to ensure a smooth transition over the ranging transition Δt (e.g., using range mixing to avoid discontinuity D of FIG. 3). The coefficient α can be set by a user, but it is often set by a ranging algorithm (e.g., algorithms 600, 650, 910, 1200, 1250, 1300, and 1400, discussed in more detail below).

図5は、シームレスなレンジングにおいて使用される、別の例示的増幅チェーン500を示す。チェーン500は、より低い利得部分502と、より高い利得部分504とを含み、これらは、1)異なるADC(それぞれ、508aおよび508b)、2)これにより低い利得部分502よりも高い利得を与える、より高い利得部分504における付加的増幅器506、および3)より低い利得部分502およびより高い利得部分504が、それぞれ、mux514aおよび514bを介して利得段512に接続されることを除いて、同じである。 Figure 5 shows another example amplification chain 500 used in seamless ranging. Chain 500 includes a lower gain section 502 and a higher gain section 504 that are identical except for 1) different ADCs (508a and 508b, respectively), 2) an additional amplifier 506 in the higher gain section 504, which gives it a higher gain than the lower gain section 502, and 3) the lower gain section 502 and the higher gain section 504 are connected to a gain stage 512 via muxes 514a and 514b, respectively.

図5に示されるように、利得段512aおよび512bからより低いおよびより高い利得部分502および504に供給される増幅は、それぞれ、mux514aおよび514bを介して選択されることができる。このように、チェーン500は、チェーン400よりも少ない専用増幅器を使用し、組み合わせをミキサ510に提供してもよい。より低いおよびより高い利得部分502および504に関して同一の利得段512aおよび512b(および増幅器)を使用することは、より効率的であるだけではない。これはまた、異なる増幅器の間のグリッチまたは不適合に起因して生じ得る雑音を本システムにおいてあまり導入しない。例えば、各増幅器は、適用されている範囲にかかわらず、それらが常時使用されているときに回避される過渡事象を有し得る。増幅器512aおよび512bによって引き起こされるいずれかの特異性、レンジング問題、または誤差が、それらが適用される全ての範囲において存在するであろう。下記により詳細に議論されるように、これは、材料測定において精密に測定される振幅よりも多くの場合に重要な側面である、測定データの全体的傾向および挙動の一貫性および平滑さを保証することができる。 As shown in FIG. 5, the amplification provided from gain stages 512a and 512b to the lower and higher gain sections 502 and 504 can be selected via muxes 514a and 514b, respectively. In this way, chain 500 may use fewer dedicated amplifiers than chain 400 and provide the combination to mixer 510. Using identical gain stages 512a and 512b (and amplifiers) for the lower and higher gain sections 502 and 504 is not only more efficient. It also introduces less noise in the system that may result from glitches or mismatches between different amplifiers. For example, each amplifier may have transients that are avoided when they are used all the time, regardless of the range to which they are applied. Any idiosyncrasies, ranging problems, or errors caused by amplifiers 512a and 512b will be present in all ranges to which they are applied. As discussed in more detail below, this can ensure consistency and smoothness of the overall trend and behavior of the measurement data, which is often a more important aspect in materials measurement than precisely measured amplitude.

チェーン400の場合と同様に、チェーン500における組み合わせである混合510は、係数αによって加重されることができる。係数αは、(例えば、図3の不連続性Dを回避するための範囲混合を使用して)レンジング遷移Δtにわたる平滑な遷移を確実にするために、動的に選定されることができる。係数αは、ユーザによって設定されることができるが、これは、多くの場合、レンジングアルゴリズム(例えば、図6Aに示されるアルゴリズム600)によって設定される。αは、利得、チェーン、または信号混合に関する本明細書に説明される任意の方法によって設定されることができる。 As in chain 400, the combination in chain 500, blend 510, can be weighted by a factor α. The factor α can be dynamically chosen to ensure a smooth transition across the ranging transition Δt (e.g., using range blending to avoid discontinuity D of FIG. 3). The factor α can be set by the user, but is often set by a ranging algorithm (e.g., algorithm 600 shown in FIG. 6A). α can be set by any of the methods described herein for gain, chain, or signal blending.

チェーン400および500、およびその他を含む変形例では、シームレスなレンジングは、自動レンジングを含んでもよい。図6Aは、例えば、変形例400および500におけるシームレスなレンジングと併せて使用され得る、自動レンジングアルゴリズム600の図示を提供する。図6Cは、フローチャートの形態においてアルゴリズム600を示す。 In variations including chains 400 and 500, and others, seamless ranging may include automatic ranging. FIG. 6A provides an illustration of an automatic ranging algorithm 600 that may be used, for example, in conjunction with seamless ranging in variations 400 and 500. FIG. 6C illustrates algorithm 600 in flow chart form.

アルゴリズム600は、図6Bに示される測定信号650が範囲r1、r2、およびr3から増加して変化するにつれて、範囲を変化させる。信号650は、t=tTR(1-2)において範囲r1からr2に遷移し、tTR(2-3)において範囲r2からr3に遷移する。図6Aは、それらの遷移にわたる、範囲r1、r2、およびr3の専用の利得チェーンを適用する観点からのアルゴリズム600の応答を示す。 Algorithm 600 varies the ranges as a measurement signal 650, shown in Figure 6B, varies incrementally from ranges r1, r2, and r3. Signal 650 transitions from range r1 to r2 at t = tTR(1-2) and from range r2 to r3 at tTR (2-3) . Figure 6A shows the response of algorithm 600 in terms of applying dedicated gain chains in ranges r1, r2, and r3 across those transitions.

図6Aおよび6Cに示されるように、アルゴリズム600は、r1からr2への遷移(tTR(1-2))に先立って、周期602の間に100% r1のために構成された利得を提供する(例えば、図4のチェーン400におけるより高い利得部分404から引き出し、より高い利得を2つの範囲のより低いものに提供する)。図6Aおよび6Cはまた、アルゴリズム600が、測定信号が遷移tTR(1-2)に接近する際にr1およびr2に関する利得プロファイルを混合する(例えば、より高い利得部分404およびより低い利得部分404から引き出す)ことを示す。本遷移前のr1/r2混合周期は、604と標識化される。上記に議論されるように、混合は、r1/r2範囲遷移の間のデータのグリッチおよび/またはギャップを回避する。tTR(1-2)におけるr1/r2遷移後、アルゴリズム600は、混合を伴わずにr2利得を適用する(例えば、図4のチェーン400におけるより低い利得部分402から引き出す)。図6A、6B、および6Cは、アルゴリズムが同様に、すなわち、最初に、周期608の間にr2およびr3に関する利得プロファイルを混合し、次いで、周期610の間にr3構成利得のみを提供することによって、tTR(2-3)においてr2からr3に変化することを示す。 As shown in Figures 6A and 6C, algorithm 600 provides the configured gain for 100% r1 (e.g., draws from the higher gain portion 404 in chain 400 of Figure 4 and provides a higher gain to the lower of the two ranges) for a period 602 prior to the transition from r1 to r2 (tTR(1-2 ) ). Figures 6A and 6C also show that algorithm 600 blends the gain profiles for r1 and r2 (e.g., draws from the higher gain portion 404 and the lower gain portion 404) as the measurement signal approaches the transition tTR(1-2) . The r1/r2 blending period prior to this transition is labeled 604. As discussed above, the blending avoids glitches and/or gaps in the data during the r1/r2 range transition. After the r1/r2 transition at t TR(1-2) , the algorithm 600 applies the r2 gain without blending (e.g., drawing from the lower gain portion 402 in the chain 400 of FIG. 4). Figures 6A, 6B, and 6C show that the algorithm similarly changes from r2 to r3 at t TR(2-3) , i.e., first blending the gain profiles for r2 and r3 during period 608, and then providing only the r3 configuration gain during period 610.

図6Aはまた、周期606(r2のみ)の間のヒステリシス612の領域を示す。ヒステリシス612の間、いかなる予想されるレンジングも、存在しない(すなわち、この場合ではr2に関する利得チェーンである、利得チェーンの1つのみの利得部分がアクティブである)。ヒステリシスの間の適用される利得はまた、一定であってもよい。これは、雑音または信号変動に起因する範囲の間の交互の切替を回避する。いったん測定信号650がr3により近接して進むと、ヒステリシス周期612は、終了する。周期614は、r2からr3への範囲変化がr3に関する利得チェーン(図示せず)を従事させることによって予想される周期を表す。r3に対応する利得チェーンは、較正および上記に議論されるような過渡事象の回避の両方の目的のために614の間に従事される。範囲の上部分のいかなるヒステリシスまたは予想も、r1/r2遷移に関して示されないが、それらが、その遷移にも同様に適用され得ることを理解されたい。 6A also shows a region of hysteresis 612 during period 606 (r2 only). During hysteresis 612, there is no anticipated ranging (i.e., only one gain portion of the gain chain is active, in this case the gain chain for r2). The applied gain during hysteresis may also be constant. This avoids alternating switching between ranges due to noise or signal fluctuations. Once the measurement signal 650 moves closer to r3, the hysteresis period 612 ends. Period 614 represents a period in which the range change from r2 to r3 is anticipated by engaging the gain chain for r3 (not shown). The gain chain corresponding to r3 is engaged during 614 for both calibration and transient avoidance purposes as discussed above. It should be understood that no hysteresis or anticipation of the upper portion of the range is shown for the r1/r2 transition, but they may be applied to that transition as well.

図6Aは、測定信号が増加する際のアルゴリズム600の動作を示すが、アルゴリズムが、測定信号が減少する(例えば、より高い範囲r3からより低い範囲r2に、次いで、最も低い範囲r1に)際に同様に適用されることを理解されたい。これは、図6Dのフローチャート620を介して示される。この場合では、アルゴリズム600は、範囲の上周期を予想するのではなく、範囲の下周期を予想するであろう(例えば、tTR(3-2)においてr3からr2に下向きに遷移する(チャート620のステップ624)等)。 6A illustrates the operation of algorithm 600 as the measurement signal increases, it should be understood that the algorithm equally applies as the measurement signal decreases (e.g., from a higher range r3 to a lower range r2 to the lowest range r1). This is illustrated via flow chart 620 in FIG. 6D. In this case, rather than predicting a period above the range, algorithm 600 would predict a period below the range (e.g., transitioning downward from r3 to r2 at tTR(3-2) (step 624 of chart 620), etc.).

図6A、6B、および6Cは、3つの例示的範囲r1、r2、およびr3間の範囲変化を取り扱うアルゴリズム600および620を示すが、これが、同一の様式における実験のために好適な任意の数の範囲間の範囲変化を取り扱い得ることを理解されたい。アルゴリズム600および620の他の変形例は、多くの他のアルゴリズムおよび/または範囲/パラメータ設定および任意の好適な数の範囲遷移を含むことができる。 While Figures 6A, 6B, and 6C show algorithms 600 and 620 that handle range changes between three example ranges r1, r2, and r3, it should be understood that this may handle range changes between any number of ranges suitable for experimentation in the same manner. Other variations of algorithms 600 and 620 may include many other algorithms and/or range/parameter settings and any suitable number of range transitions.

それぞれ、チェーン400および500におけるミキサ410および510は、図3に示される平滑化効果(302)を達成するための任意の好適な混合アルゴリズムに従って動作することができる。ミキサ401および501は、デジタルであってもよい。それらは、独立した較正のいかなる必要性も有していない場合がある。一変形例では、410および510の混合出力は、以下に類似するアルゴリズムによって制御されてもよい。
出力信号V(ミキサ402または502に関する)=αE+(1-α)E(1)
式中、
は、第1のADC(ADC A 408aまたはADC A 508a)の出力であり、
は、第2のADC(ADC A 408bまたはADC A 508b)の出力であり、
αは、例えば、1からゼロに変動し得る混合パラメータである。
The mixers 410 and 510 in the chains 400 and 500, respectively, can operate according to any suitable mixing algorithm to achieve the smoothing effect (302) shown in Figure 3. The mixers 401 and 501 may be digital. They may not have any need for independent calibration. In one variant, the mixed output of 410 and 510 may be controlled by an algorithm similar to the following:
Output signal V (for mixer 402 or 502)=αE A +(1−α)E B (1)
In the formula,
E A is the output of the first ADC (ADC A 408a or ADC A 508a);
EB is the output of the second ADC (ADC A 408b or ADC A 508b);
α is a blending parameter that can range, for example, from one to zero.

方程式1が、ミキサ410および510によって適用され得る唯一の混合アルゴリズムではないことを理解されたい。例えば、ミキサは、各経路の出力を単純に平均化し、雑音を低減させてもよい。方程式1は、線形加重(α)をEおよびEの寄与に適用する。しかしながら、非線形加重も、想定され、本開示の範囲内と見なされるべきである。実際には、加重は、任意の好適な数学的形態を含んでもよい。実施例は、限定ではないが、二次多項式、三次多項式、および任意の好適な多項式を含む。指数関数および対数関数、および微分方程式が、全て本開示の範囲内で想定される。 It should be understood that Equation 1 is not the only mixing algorithm that may be applied by mixers 410 and 510. For example, the mixer may simply average the output of each path to reduce noise. Equation 1 applies linear weighting (α) to the contributions of E A and E B. However, non-linear weighting is also contemplated and should be considered within the scope of this disclosure. In practice, the weighting may include any suitable mathematical form. Examples include, but are not limited to, quadratic polynomials, cubic polynomials, and any suitable polynomial. Exponential and logarithmic functions, and differential equations are all contemplated within the scope of this disclosure.

加重または混合関数の厳密な形態は、本システムにおける種々の増幅器(例えば、402、404、および512における増幅器および増幅器506)の利得等の因子、およびADC(例えばADC408a、408b、508a、および508b)等の他のコンポーネントに依存するべきである。これはまた、回路において使用されるミキサ401および510の詳細に依存し得る。これは、これらのコンポーネントの以下の例示的特性、例えば、周波数応答、利得値、非線形性、入力における変動に対する感度に依存し得る。加えて、パラメータαは、上記の実施例におけるように、1からゼロに変動する必要はない。パラメータαおよびミキサ410および510によって採用される任意の他の値は、チェーン402、404、および512における利得段および利得506の詳細に依存し得る。これは、利得を平衡化し、不連続性D(図3)を排除または減少させるための任意の好適な値を含んでもよい。 The exact form of the weighting or mixing function should depend on factors such as the gains of the various amplifiers in the system (e.g., amplifiers in 402, 404, and 512 and amplifier 506) and other components such as ADCs (e.g., ADCs 408a, 408b, 508a, and 508b). This may also depend on the details of the mixers 401 and 510 used in the circuit. This may depend on the following example characteristics of these components: frequency response, gain value, nonlinearity, sensitivity to variations in the input. In addition, the parameter α need not vary from one to zero, as in the above example. The parameter α and any other values adopted by the mixers 410 and 510 may depend on the details of the gain stages and gains 506 in the chains 402, 404, and 512. This may include any suitable value to balance the gains and eliminate or reduce the discontinuity D (FIG. 3).

図7Aは、複数のADC(すなわち、ADC A 708aおよびADC B 708b)を使用する間に利得段を共有する、別の変形例700を示す。図7Aは、チェーン700自体のアーキテクチャを示す。図7Bは、チェーン700の応答750aを120等の従来技術の従来のレンジングシステムと比較するプロット750である。 Figure 7A shows another variation 700 that shares gain stages while using multiple ADCs (i.e., ADC A 708a and ADC B 708b). Figure 7A shows the architecture of the chain 700 itself. Figure 7B is a plot 750 comparing the response 750a of the chain 700 to a conventional ranging system of the prior art, such as 120.

チェーン700は、ADC(それぞれ、ADC A 708aおよびADC B 708b)およびマルチプレクサ(それぞれ、mux706aおよび706b)を含む、2つの信号経路700aおよび700bを含む。マルチプレクサ706aおよび706bは、利得チェーン700cからの利得段704a-704cから選択する。したがって、信号経路700aおよび700bは、それらの選択に基づいて、独立して構成可能な利得を有する。 Chain 700 includes two signal paths 700a and 700b, each including an ADC (ADC A 708a and ADC B 708b, respectively) and a multiplexer (mux 706a and 706b, respectively). Multiplexers 706a and 706b select from gain stages 704a-704c from gain chain 700c. Thus, signal paths 700a and 700b have independently configurable gains based on their selection.

経路700aおよび700bに送達される各独立して構成可能な利得は、それぞれ、利得A1、A2、およびA3を有する増幅器704a、704b、および704cの出力の任意の組み合わせであり得る。利得A1、A2、およびA3はそれぞれ、1、1を上回る任意の好適な正の値、および1を上回る絶対値を伴う任意の好適な負の値であってもよい。利得は、任意の理由から、および任意の基準に基づいて選択されることができるが、それらは、典型的には、その信号を最良に適応させるために、入力信号702の範囲に基づいて、mux706aおよび706bによって選択される。多くの異なる組み合わせが、可能性として考えられ、本開示の範囲内であることを理解されたい。 Each independently configurable gain delivered to paths 700a and 700b can be any combination of the outputs of amplifiers 704a, 704b, and 704c with gains A1, A2, and A3, respectively. Gains A1, A2, and A3 can be 1, any suitable positive value greater than 1, and any suitable negative value with an absolute value greater than 1, respectively. The gains can be selected for any reason and based on any criteria, but they are typically selected by muxes 706a and 706b based on the range of the input signal 702 to best accommodate that signal. It should be understood that many different combinations are possible and are within the scope of this disclosure.

例えば、入力信号702は、利得段704aおよび704bからの組み合わせられた利得(すなわち、A1およびA2の積に等しい利得)およびADC A 708aによって最良に増幅される範囲内にあってもよい。本範囲は、例えば、比較的に高い利得を要求する図6Aのより低い範囲r1に対応してもよい。この場合では、mux706aは、入力707aを選択し、その利得をADC A 708aに送信するであろう。ADC A 708aにおける処理後、信号は、ミキサ710に送信される。この場合では、ADC A 708aは、適切な範囲および信号であるため、ミキサ710は、ADC A 708a入力のみを選択するであろう(例えば、方程式1におけるαを1に等しく設定する)。同時に、mux706bは、ADC 708bが上側範囲r2に関する構成された利得を有するように設定されてもよい。これは、より高い信号増幅に対応するより低い範囲r1に関するより低い利得であってもよい。単に実施例として、本より低い利得は、A1であってもよい。本実施例では、ADC B 708bは、入力702が範囲r1内にある限り、出力信号712を発生させるために使用されない。典型的には、それらが出力をミキサ710に能動的に提供していないため、経路700bおよびその関連付けられる未使用範囲が、コールドであると考えられるであろう。しかしながら、コールドである間であっても、経路700bは、ターンオンまたはウォームアップの間に生じる過渡事象を回避するために、依然として動作し得る。 For example, input signal 702 may be in a range that is best amplified by the combined gain from gain stages 704a and 704b (i.e., a gain equal to the product of A1 and A2) and ADC A 708a. This range may correspond, for example, to the lower range r1 of FIG. 6A, which requires a relatively high gain. In this case, mux 706a would select input 707a and send that gain to ADC A 708a. After processing in ADC A 708a, the signal is sent to mixer 710. In this case, mixer 710 would select only ADC A 708a input, since ADC A 708a is in the appropriate range and signal (e.g., set α in Equation 1 equal to 1). At the same time, mux 706b may be set so that ADC 708b has a configured gain for the upper range r2. This may be a lower gain for the lower range r1 corresponding to a higher signal amplification. Just as an example, this lower gain may be A1. In this example, ADC B 708b is not used to generate output signal 712 as long as input 702 is within range r1. Typically, paths 700b and their associated unused ranges would be considered cold since they are not actively providing an output to mixer 710. However, even while cold, paths 700b may still be operational to avoid transient events that occur during turn-on or warm-up.

入力信号702が、増加し、したがって、これが、遷移tTRに近づくことによってADC A 708aを飽和させるリスクがある場合、ADC B 708b(「コールド」範囲)が、従事されてもよい。ADC B 708bと関連付けられる経路は、より高い範囲(より低い利得)に設定されることができる。例えば、ADC B 708bは、利得段A1(704a)の出力をフィードされ、これは、ADC B 708bが経路700aにおいてADC A 708aよりも高い範囲(より低い利得)内にある結果をもたらすであろう。 If the input signal 702 is increasing and therefore at risk of saturating ADC A 708a by approaching transition tTR , then ADC B 708b (the "cold" range) may be engaged. The path associated with ADC B 708b can be set to a higher range (lower gain). For example, ADC B 708b could be fed the output of gain stage A1 (704a), which would result in ADC B 708b being in a higher range (lower gain) than ADC A 708a in path 700a.

入力信号702が、ADC A708aに関する所望のレベルにある間、ミキサ710は、出力712のみがADC A 708aの寄与のみを受信するように設定される。これは、遷移点tTRから離れた図3のより低い範囲r1に対応する。しかしながら、入力信号702が、tTR(およびADC B708bが構成される上側範囲r2)に向かって増加するにつれて、ADC B 708bが処理を引き継ぐことが、より有利になる。遷移tTRの前に、ADC 708bは、入力信号702を測定し始めることによって「ウォームアップ」する。図6Aおよび6Cのステップ614に対応する本構成では、ミキサ710は、依然として、ADC A 708aからの信号のみが出力712に送信されるように設定されている。いったん入力信号702のADC B 708b処理における過渡事象が消滅すると、ミキサ710は、出力712に、ADC A 708およびADC B 708bからの出力の組み合わせである信号を提供し始める。本混合出力は、例えば、方程式1によるものであり得る。ミキサ710は、本システムが範囲r2内で十分になるまで、ADC B 708bからの寄与を漸進的に増加させる。図6Aおよび6Cのステップ606に対応するその時点で、ミキサ710は、ADC A 708aからの寄与を遮断または排除してもよい。これは、ADC B 708bがr2のために構成されるためである。例示的事例では、mux706bは、ADC B 708bがより低い利得(A1およびA2の積と対照的に、A1のみ)を受信するように設定される。これは、入力707bに対応する。D(図6A)にわたる遷移を平滑化するために2つのADC経路700aおよび700bからの信号を混合することによる出力712の発生は、シームレスなレンジングである。 While the input signal 702 is at a desired level for ADC A 708a, the mixer 710 is set to receive only the contribution of ADC A 708a at output 712. This corresponds to the lower range r1 in FIG. 3 away from the transition point tTR . However, as the input signal 702 increases towards tTR (and the upper range r2 where ADC B 708b is configured), it becomes more advantageous for ADC B 708b to take over. Before the transition tTR , ADC 708b "warms up" by starting to measure the input signal 702. In this configuration, which corresponds to step 614 in FIGS. 6A and 6C, the mixer 710 is still set to send only the signal from ADC A 708a to output 712. Once the transient in ADC B 708b processing of the input signal 702 has subsided, mixer 710 begins to provide a signal at output 712 that is a combination of the outputs from ADC A 708 and ADC B 708b. This mixed output may be, for example, according to Equation 1. Mixer 710 gradually increases the contribution from ADC B 708b until the system is well within range r2. At that point, which corresponds to step 606 in Figures 6A and 6C, mixer 710 may block or eliminate the contribution from ADC A 708a. This is because ADC B 708b is configured for r2. In the exemplary case, mux 706b is set so that ADC B 708b receives a lower gain (only A1, as opposed to the product of A1 and A2). This corresponds to input 707b. The generation of output 712 by mixing the signals from the two ADC paths 700a and 700b to smooth the transition across D (FIG. 6A) is seamless ranging.

本シナリオでは、利得段704a(A1の利得)と関連付けられる特異性および/または誤差は、それぞれ、両方の範囲r1およびr2の測定信号750a(図7B)とそれらの範囲経路700aおよび700bとの間で共通である。したがって、範囲間の遷移tTRは、利得共通性を有する。これは、範囲の間の不一致を低減させる。測定データに対する効果が、図7Bに図式的に示される。具体的には、図7Bは、700によって測定された信号750aが、従来技術の構成(例えば、図1に示される100)によって測定された同一の出力よりも範囲r1およびr2(それぞれ、部分AおよびB)において類似する様子を示す。言い換えると、測定信号750aは、各範囲内の利得の完全に異なるセット(従来技術)と比較して、それらが同一の信号を測定している(シームレスなレンジング)ときにより類似する。図7Bでは、従来技術のシステムおよびシームレスなレンジングシステム750aの両方が、部分A(範囲r1)に関して同一の出力を有する。 In this scenario, the singularity and/or error associated with gain stage 704a (gain of A1) is common between measurement signal 750a (FIG. 7B) of both ranges r1 and r2 and their range paths 700a and 700b, respectively. Thus, the transition tTR between the ranges has gain commonality. This reduces the discrepancy between the ranges. The effect on the measurement data is shown diagrammatically in FIG. 7B. Specifically, FIG. 7B shows how the signal 750a measured by 700 is more similar in ranges r1 and r2 (parts A and B, respectively) than the same output measured by the prior art configuration (e.g., 100 shown in FIG. 1). In other words, the measurement signals 750a are more similar when they are measuring the same signal (seamless ranging) compared to a completely different set of gains in each range (prior art). In FIG. 7B, both the prior art system and the seamless ranging system 750a have the same output for part A (range r1).

いったん入力信号702bがADC B 708bに渡されると、ADC A 708aは、ここではコールドである。コールドである間であっても、ADC A 708aの利得は、信号が次に進むであろう場所を予想するように構成されたままである。ADC A 708aは、例えば、その範囲への戻りを予想するために、r2構成範囲内に留まり得る。代替として、ADC A 708aは、別の利得に関してmux706bをリセットすることによって、その範囲を変化させてもよい。ADC A 708aは、各信号経路の初期条件に応じて、信号が増加または減少し続けることを予想してこれを行ってもよい。 Once the input signal 702b is passed to ADC B 708b, ADC A 708a is now cold. Even while cold, the gain of ADC A 708a remains configured to anticipate where the signal will go next. ADC A 708a may, for example, stay within the r2 configuration range to anticipate a return to that range. Alternatively, ADC A 708a may change its range by resetting mux 706b for a different gain. ADC A 708a may do this in anticipation of the signal continuing to increase or decrease, depending on the initial conditions of each signal path.

図6Dの文脈において議論されるように、上記に説明される遷移は、減少する入力信号702に関して逆に実行され得る。言い換えると、信号702が、範囲r2からr1まで減少している場合、ミキサは、最初に、経路700bからの寄与のみを出力712にフィードするように設定されるであろう。これは、ADC B 708bが入力707b(より低い利得A1)を受信するようにmux708aを設定することによって範囲r2のために構成されるためである。入力702がtTRに向かって減少するにつれて、ADC 708aは、ウォームアップされ、過渡事象が消滅するようにオンにされる。本段階では、ミキサ712は、依然として、出力712が708b寄与のみを受信するように設定されている。いったん入力702がtTRに近接すると、ミキサ710は、700aおよび700b寄与を組み合わせ、シームレスな遷移を生成するように設定される。入力702がtTRを超えてr1まで減少する際、ミキサ710は、r1に関する構成された経路(すなわち、ADC A 708aを含む700a)のみが出力712に寄与するようにリセットされる。上記の実施例に議論されるように、本利得は、mux706aによって設定されるA1およびA2の積であってもよい。 As discussed in the context of FIG. 6D, the transition described above may be performed in reverse for a decreasing input signal 702. In other words, if the signal 702 is decreasing from range r2 to r1, the mixer will initially be set to feed only the contribution from path 700b to the output 712. This is because ADC B 708b is configured for range r2 by setting mux 708a to receive input 707b (lower gain A1). As the input 702 decreases toward tTR , ADC 708a is turned on to warm up and allow transients to die out. At this stage, the mixer 712 is still set so that the output 712 receives only the 708b contribution. Once the input 702 approaches tTR , the mixer 710 is set to combine the 700a and 700b contributions and create a seamless transition. As the input 702 decreases beyond tTR to r1, the mixer 710 is reset so that only the configured path for r1 (i.e., 700a, including ADC A 708a) contributes to the output 712. As discussed in the example above, this gain may be the product of A1 and A2, set by mux 706a.

700のような多くの利得段を伴うシステムでは、入力信号702は、入力信号が増加または減少する際、ADC708aと708bとの間で交互に渡されることができる。毎回、コールドADCは、上記に説明されるように、変化する信号のために必要とされる範囲を予想するであろう。本プロセスの間、利得は、出力がアクティブADCからとられている間、コールドADCのために変更されることができる。これは、図7Bに示されるように、所望の範囲内の一定の出力をもたらし、各範囲内の利得変動に起因する低減された不一致をもたらす。 In a system with many gain stages such as 700, the input signal 702 can be passed alternately between ADCs 708a and 708b as the input signal increases or decreases. Each time, the cold ADC will predict the range required for the changing signal as explained above. During this process, the gain can be changed for the cold ADC while the output is taken from the active ADC. This results in a constant output within the desired range, as shown in FIG. 7B, and reduced discrepancies due to gain variations within each range.

図7Bは、測定信号750aがtTRにおけるr1/r2遷移において大きさにおける不連続性752を呈することを示す。これは、単に、例証の目的のためのものであり、全ての実装において存在しない場合がある。不連続性752は、範囲r1/r2毎に構成される、経路700aおよび700bに適用された利得が、遷移tTRにおいてわずかに不適合である状況から生じる。多くの変形例では、不連続性752を排除するために、経路700aおよび700b毎に利得を調整することが、可能であり得る。しかしながら、それらの個別の範囲を最良に表すように利得を構成することが、より重要であり得る。この場合では、不連続性752は、測定電子機器の公知のアーチファクトであり、測定データ750aの後処理においていくつかの方法で(例えば、曲線適合/平滑化等によって)対処されることができる。 7B shows that the measurement signal 750a exhibits a discontinuity 752 in magnitude at the r1/r2 transition at tTR . This is merely for illustrative purposes and may not be present in all implementations. The discontinuity 752 results from a situation where the gains applied to paths 700a and 700b, configured for each range r1/r2, are slightly mismatched at the transition tTR . In many variations, it may be possible to adjust the gains for each path 700a and 700b to eliminate the discontinuity 752. However, it may be more important to configure the gains to best represent their individual ranges. In this case, the discontinuity 752 is a known artifact of the measurement electronics and can be addressed in several ways (e.g., by curve fitting/smoothing, etc.) in post-processing of the measurement data 750a.

図8は、利得チェーン700cに先立つ前置増幅器(プリアンプ)804aおよび/または2つの経路のうちの1つにおけるプリアンプ804bを設置する、別の変形例800を示す。図8は、ADC B 708bと関連付けられる経路700bにおいてプリアンプ804bを示す。しかしながら、プリアンプ804bがまた、ADC A 708aと関連付けられる経路700aにおける類似する位置に設置され得ることを理解されたい。プリアンプ804aおよび804bの追加を除いて、変形例800は、図7Aの変形例700と同じである。 FIG. 8 shows another variation 800 that places a preamplifier (preamp) 804a prior to the gain chain 700c and/or a preamplifier 804b in one of the two paths. FIG. 8 shows a preamplifier 804b in the path 700b associated with ADC B 708b. However, it should be understood that a preamplifier 804b could also be placed in a similar position in the path 700a associated with ADC A 708a. Except for the addition of preamplifiers 804a and 804b, variation 800 is the same as variation 700 of FIG. 7A.

プリアンプ804aおよび804bは、いくつかの利益を変形例800に提供することができる。例えば、プリアンプ804aは、変形例800における他のコンポーネントからの入力信号702をバッファリングすることができる。これは、入力702を複数のバッファまたはスイッチング要素に直接接続することが性能を低下させるため、有利であり得る。これらの要素は、多くの場合、バイアス電流およびスイッチング容量を入力702に付与する。プリアンプ804bは、典型的には、余分な利得を要求する範囲と関連付けられる経路(700aまたは700bのいずれか)内に設置されることができる。これは、例えば、最も低い範囲(例えば、図6Aの範囲r1)であり得る。余分な利得段が経路のうちの1つに「有線接続」されることは、適切な利得をその経路に適用することをより単純かつ容易にする。 Preamplifiers 804a and 804b can provide several benefits to variation 800. For example, preamplifier 804a can buffer input signal 702 from other components in variation 800. This can be advantageous because directly connecting input 702 to multiple buffers or switching elements degrades performance. These elements often impart bias currents and switching capacitance to input 702. Preamplifier 804b can be placed in the path (either 700a or 700b) that is typically associated with the range that requires extra gain. This can be, for example, the lowest range (e.g., range r1 in FIG. 6A). Having an extra gain stage "wired" into one of the paths makes it simpler and easier to apply the appropriate gain to that path.

図9は、不連続性752を排除または減少させることにダイレクトされる補間アルゴリズム910を示す。アルゴリズム910は、経路700aおよび700bの両方に関してミキサ710(図7および8)によって実施されてもよい。 Figure 9 shows an interpolation algorithm 910 directed to eliminating or reducing the discontinuity 752. The algorithm 910 may be implemented by the mixer 710 (Figures 7 and 8) for both paths 700a and 700b.

特に、材料研究におけるいくつかの用途では、不連続性752自体が、他の定量的誤差の源よりも大きい問題であり得る。これは、特に、その精密に測定された値ではなく、測定信号750aの全体的特性が材料性質を説明するために最も重要である場合に当てはまる。多くの事例では、測定値は、精密な振幅にわたる挙動を強調するために、相対的または正規化された用語において査定され得る。これらの場合では、ミキサ710は、範囲r1とr2との間の平滑な遷移を維持するために、ADC708aおよび708bからのその2つの入力を補間することができる。そのような補間は、方程式1を介して実施されることができる。これはまた、ADC708aおよび708bからの信号を補間するための別の好適な数学的または信号処理手段を使用して実施されることができる。図9に示されるように、補間910は、典型的には、遷移時間tTRに近接する期間920のみにわたって実施される。期間920は、例えば、図3に示されるΔtに対応してもよい。しかしながら、補間910が、任意の特定の期間に限定される必要はないことを理解されたい。2つのADC708aおよび708bからの信号のそれぞれの寄与は、可変であるため、補間910は、測定全体を通して実行されてもよい。 In some applications, particularly in materials research, the discontinuity 752 itself may be a bigger problem than other quantitative error sources. This is especially true when the overall characteristics of the measurement signal 750a are most important for describing material properties, not its precisely measured value. In many cases, the measurements may be assessed in relative or normalized terms to emphasize the behavior over precise amplitudes. In these cases, the mixer 710 may interpolate its two inputs from the ADCs 708a and 708b to maintain a smooth transition between the ranges r1 and r2. Such an interpolation may be performed via Equation 1. This may also be performed using another suitable mathematical or signal processing means for interpolating the signals from the ADCs 708a and 708b. As shown in FIG. 9, the interpolation 910 is typically performed only over a period 920 proximate to the transition time tTR . The period 920 may correspond, for example, to Δt shown in FIG. 3. However, it should be understood that the interpolation 910 need not be limited to any particular period. Because the contribution of each of the signals from the two ADCs 708a and 708b is variable, an interpolation 910 may be performed throughout the measurement.

図10Aは、共通利得チェーン1000cにおける複数の増幅器1004a-1004nと関連付けられる経路1000aおよび1000b毎の選択を伴う利得に関する付加的自由範囲を含む、変形例1000を示す。利得段選択は、変形例1000において2つの一連のスイッチバンク1006aおよび1006bによって行われることができる。各バンクは、スイッチ、例えば、データコンバータ(例えば、ADC)1008aまたは1008bをチェーン1000cにおける各利得段に接続する、またはそれから接続解除し得る、スイッチ1014aを含む。各増幅器1004a-1004nが、独立して接続され得る方法である。 FIG. 10A shows a variation 1000 that includes additional freedom in terms of gain with selection for each path 1000a and 1000b associated with multiple amplifiers 1004a-1004n in a common gain chain 1000c. Gain stage selection can be performed in variation 1000 by two series of switch banks 1006a and 1006b. Each bank includes a switch, e.g., switch 1014a, that can connect or disconnect a data converter (e.g., ADC) 1008a or 1008b to or from each gain stage in the chain 1000c. This is how each amplifier 1004a-1004n can be connected independently.

スイッチバンク1006aおよび1006bが、いくつかの好適な方法で実装され得ることを理解されたい。ソリッドステートスイッチングが、使用されることができる。代替として、機械的リレースイッチングが、使用されることができる。任意の他の好適なスイッチングまたは接続方法が、使用されることができる。個々のスイッチ(例えば、1014a)は、個々に存在し、動作されてもよい。代替として、それらは、集積回路または他の集積デバイスの一部として動作されてもよい。それらは、ユーザ入力、本明細書に説明されるアルゴリズムのうちのいずれか(例えば、アルゴリズム600、620、および910等)を含む、任意の好適な手段によってトリガされてもよい。また、スイッチバンク1006aおよび1006bは、スイッチングおよびデータコンバータ1008aおよび1008bにフィードされる利得が、動的に(例えば、図6Aの範囲r1およびr2内の任意の時点で)変更され得るように、動的に動作されてもよい。 It should be understood that the switch banks 1006a and 1006b may be implemented in a number of suitable ways. Solid state switching may be used. Alternatively, mechanical relay switching may be used. Any other suitable switching or connection method may be used. The individual switches (e.g., 1014a) may be present and operated individually. Alternatively, they may be operated as part of an integrated circuit or other integrated device. They may be triggered by any suitable means, including user input, any of the algorithms described herein (e.g., algorithms 600, 620, and 910, etc.). The switch banks 1006a and 1006b may also be dynamically operated such that the gains fed to the switching and data converters 1008a and 1008b may be dynamically changed (e.g., at any time within the ranges r1 and r2 of FIG. 6A).

図10Aは、入力信号を増幅するために共通利得チェーンを使用する、利得経路が作製され得る方法を図示する。共通利得チェーン1000cにおける各利得段1014a-1014nの前後の点は、複数の範囲によって選択されることができる。図10Aでは、スイッチング手段1006aおよび1006bおよび/またはコントローラが、共通利得チェーン1000c上の点を選択し、入力信号を上部データコンバータ1008aまたは底部データコンバータ1008bのいずれかに渡すために使用されることができる。 Figure 10A illustrates how a gain path can be created that uses a common gain chain to amplify an input signal. The points before and after each gain stage 1014a-1014n in the common gain chain 1000c can be selected by a number of ranges. In Figure 10A, switching means 1006a and 1006b and/or a controller can be used to select a point on the common gain chain 1000c to pass the input signal to either the top data converter 1008a or the bottom data converter 1008b.

図10Aに示されるように、ミキサ1010は、データコンバータ1008aおよび1008bからの出力を選択または混合し、データ出力1012にフィードする。ミキサ1010は、ミキサ410、510、および710と類似する、または同一の方法で動作することができる。例えば、ミキサ1010は、方程式1を使用し、1008aおよび1008b出力を混合してもよい。これは、ミキサ410、510、および710によって使用される任意の情報(例えば、ユーザ入力、アルゴリズム600等)に基づいてそのように行ってもよい。 As shown in FIG. 10A, mixer 1010 selects or mixes the outputs from data converters 1008a and 1008b and feeds them to data output 1012. Mixer 1010 may operate in a similar or identical manner to mixers 410, 510, and 710. For example, mixer 1010 may use Equation 1 to mix 1008a and 1008b outputs. It may do so based on any information used by mixers 410, 510, and 710 (e.g., user input, algorithm 600, etc.).

図10Aは、2つのみのコンバータを示すが、変形例1000(および変形例500、700、および800)が、任意の好適な数のデータコンバータと併用され得ることを理解されたい。一例示的構成は、独立した範囲毎にデータコンバータを割り当てることである。したがって、測定が、4つの範囲r1-r4を含む場合、例えば、4つの独立したデータコンバータが、使用されてもよい。 Although FIG. 10A shows only two converters, it should be understood that variation 1000 (and variations 500, 700, and 800) may be used with any suitable number of data converters. One exemplary configuration is to assign a data converter for each independent range. Thus, for example, if a measurement includes four ranges r1-r4, four independent data converters may be used.

図10Aは、変形例1000が利得チェーン1000cにおいて任意の数(n)の利得段1004-1004nを含むことを示す。概して、1000cにおいて含まれる利得段が多いほど、データコンバータ1008aおよび1008bが特定の範囲を表すことを可能にする柔軟性は、高まる。変形例1000等のいくつかの変形例では、nは、データコンバータ1008mの数よりも2倍またはそれを上回って多い。 FIG. 10A shows that variation 1000 includes any number (n) of gain stages 1004-1004n in gain chain 1000c. Generally, the more gain stages included in 1000c, the more flexibility there is in allowing data converters 1008a and 1008b to represent a particular range. In some variations, such as variation 1000, n is two or more times greater than the number of data converters 1008m.

図10Aは、同一または類似するタイプであるように見える利得段1004a-1004nを示すが、これは、必ずしもそうではない場合がある。変形例では、異なる利得を伴う異なるタイプの利得段を使用することが、有利であり得る。共通利得チェーン1000cを有することの利益は、本システムのより少ない部分が較正される必要があることである。従来のシステムでは、2つの完全に独立した利得経路は、較正される必要があった。本開示では、利得段は、範囲から独立して較正されることができる。これは、システム全体を較正するためにかかる時間を減少させることができる。 Although FIG. 10A shows gain stages 1004a-1004n appearing to be of the same or similar type, this may not necessarily be the case. In variations, it may be advantageous to use different types of gain stages with different gains. The benefit of having a common gain chain 1000c is that fewer portions of the system need to be calibrated. In conventional systems, two completely independent gain paths needed to be calibrated. In the present disclosure, the gain stages can be calibrated independently of range. This can reduce the time it takes to calibrate the entire system.

典型的には、チェーン1000cにおける殆どまたは全ての利得段は、アクティブである。ある場合には、使用されない間にある利得段1004a-1004nを非アクティブ化すること(例えば、アクティブまたは予想範囲を発生させること)が、有用であり得る。例えば、いくつかのタイプの利得段1004a-1004nは、誤差を生成することなく飽和を十分に取り扱わない場合がある。その場合では、そのような利得段は、有利なこととして、いったん飽和のリスクが検出されると、非アクティブ化するであろう。そうすることは、(すなわち、ある範囲が信号を適切に増幅することが可能であるとき、その範囲のみをアクティブ化することによって)より速い遷移を可能にし得る。未使用範囲1004a-1004nもまた、電力引き込み、熱発生等を低減させるために非アクティブ化され得る。 Typically, most or all of the gain stages in the chain 1000c are active. In some cases, it may be useful to deactivate (e.g., generate active or expected ranges) some gain stages 1004a-1004n while not in use. For example, some types of gain stages 1004a-1004n may not handle saturation well without producing errors. In that case, such gain stages would be advantageously deactivated once a risk of saturation is detected. Doing so may allow for faster transitions (i.e., by only activating a range when that range is capable of amplifying the signal adequately). Unused ranges 1004a-1004n may also be deactivated to reduce power draw, heat generation, etc.

図10Bは、変形例1000を使用して作成され得る、例示的利得経路(利得経路A)を示す。利得経路Aを作成するために、スイッチ1014cが、従事される。これは、利得経路Aを利得段1004aおよび1004b(いかなる他の利得段も伴わない)によって増幅させる。増幅された信号は、次いで、データコンバータ1008aに送信される。経路は、次いで、ミキサ1010によって別の経路と混合され、データ出力1012に送信される。変形例では、ミキサ1010は、利得経路Aからの信号のみをデータ出力1012に送信してもよい。その他では、これは、本明細書に開示される手段またはアルゴリズムのうちのいずれか(例えば、方程式、アルゴリズム600等)によって経路を混合してもよい。 10B shows an example gain path (gain path A) that may be created using variation 1000. To create gain path A, switch 1014c is engaged. This causes gain path A to be amplified by gain stages 1004a and 1004b (without any other gain stages). The amplified signal is then sent to data converter 1008a. The path is then mixed with another path by mixer 1010 and sent to data output 1012. In a variation, mixer 1010 may send only the signal from gain path A to data output 1012. In others, it may mix the paths by any of the means or algorithms disclosed herein (e.g., equations, algorithm 600, etc.).

図10Cは、2つの変形例、すなわち、高範囲および低範囲変形例を含む、別の利得経路(利得経路B)を示す。高および低変形例は両方とも、コンバータ1008aの代わりにデータコンバータ1008bを使用する。したがって、利得経路Bは、別個に、かつ独立して利得経路Aと従事されることができる。利得経路AおよびBは、データ出力1012を形成するようにミキサ1010によってともに混合されることができる。 FIG. 10C shows another gain path (gain path B) that includes two variations, a high range and a low range variation. Both the high and low variations use data converter 1008b instead of converter 1008a. Thus, gain path B can be separately and independently engaged with gain path A. Gain paths A and B can be mixed together by mixer 1010 to form data output 1012.

利得経路Bのより高い範囲経路は、より少ない利得を含み、より高い範囲(例えば、図6Aのr2)に関してより適切であり得る。これは、スイッチ1014fをトリガすることによってそのように行い、これは、経路に、1つのみの段、すなわち、1004aからの利得を含めさせる。より低い範囲経路は、スイッチ1014fがトリガされない間にスイッチ1014hをトリガすることによって取得される。より低い範囲経路は、利得段1004aとともに、2つの余分な利得段、すなわち、1004bおよび1004cを含む。これは、より低い範囲(例えば、図6Aのr1)に関してより適切であり得るはるかに高い利得をこれに与える。 The higher range path of gain path B contains less gain and may be more appropriate for higher ranges (e.g., r2 in FIG. 6A). It does so by triggering switch 1014f, which causes the path to contain gain from only one stage, namely, 1004a. The lower range path is obtained by triggering switch 1014h while switch 1014f is not triggered. The lower range path contains two extra gain stages, namely, 1004b and 1004c, along with gain stage 1004a. This gives it a much higher gain that may be more appropriate for lower ranges (e.g., r1 in FIG. 6A).

変形例1000は、必要に応じて、これらの利得経路のうちのいずれかを切り替えてもよい。これは、例えば、アルゴリズム600、620、および910のうちのいずれかに従ってそのように行ってもよい。例えば、利得経路Aは、最も低い利得であるため、変形例1000は、最初に利得経路Aを使用してもよい。これは、同時に利得経路Bをオンラインにし、これをウォームアップし、過渡事象を除去してもよい。本シナリオでは、利得経路Bは、測定信号が、これがより低い範囲(すなわち、利得経路Aと関連付けられるより低い範囲)から増加しているため、最初にこれを使用するであろうことを予想して、そのより低い範囲構成にあるであろう。測定信号が増加し続ける際、ミキサ1010は、利得経路AおよびBを混合し、利得経路Bは、より低い範囲構成にあってもよい。測定信号が増加し続ける際、ミキサ1010は、利得経路Bのみをデータ出力1012に送信してもよい。信号がこの点を超えて増加し続ける際、利得経路Bのより高い範囲構成は、1014hをオフにし、1014fをオンにすることによってトリガされてもよい。これは、入力信号1002に、最も高い範囲内にあることと対応する最小量の利得(すなわち、利得段1004aからの利得のみ)を与えるであろう。 Variation 1000 may switch between any of these gain paths as needed. It may do so, for example, according to any of algorithms 600, 620, and 910. For example, variation 1000 may use gain path A first, since gain path A is the lowest gain. This may simultaneously bring gain path B online, warming it up and removing transients. In this scenario, gain path B would be in its lower range configuration, anticipating that the measurement signal would use it first since it is increasing from the lower range (i.e., the lower range associated with gain path A). As the measurement signal continues to increase, mixer 1010 may mix gain paths A and B, with gain path B in the lower range configuration. As the measurement signal continues to increase, mixer 1010 may send only gain path B to data output 1012. As the signal continues to increase beyond this point, the higher range configuration of gain path B may be triggered by turning off 1014h and turning on 1014f. This will give the input signal 1002 the minimum amount of gain (i.e., only the gain from gain stage 1004a) that corresponds to being in the highest range.

図11は、別の手段、すなわち、利得段セレクタ1116a-1116nによる可変利得選択を含む、別の変形例1100を示す。変形例1100は、2つの段1104aおよび1104bの中からの利得から利得を選択する。しかしながら、これが、単に例示的であることを理解されたい。任意の好適な数nの利得段1104が、1100において含まれてもよい。 FIG. 11 shows another variation 1100 that includes variable gain selection by another means, namely, gain stage selectors 1116a-1116n. Variation 1100 selects gain from among two stages 1104a and 1104b. However, it should be understood that this is merely exemplary. Any suitable number n of gain stages 1104 may be included in 1100.

変形例1000では、各データコンバータ1108a-1108nは、その独自の利得段セレクタ1116a-1116nに接続される。しかしながら、データコンバータ1108が利得段セレクタ1116を共有する他の構成もまた、可能性として考えられる。 In variation 1000, each data converter 1108a-1108n is connected to its own gain stage selector 1116a-1116n. However, other configurations in which data converters 1108 share a gain stage selector 1116 are also possible.

変形例1100は、大きくあり得るデータコンバータの数nを含む。一般に、コンバータの数nは、範囲毎に1つのコンバータが存在するように選定されることができる。他の状況では、範囲よりも多い、またはより少ないコンバータのいずれかを含むことが、有利であり得る。複数の範囲/利得段はまた、例えば、パルス入力信号測定用途において有用である。入力信号が、複数の範囲を遷移する場合、異なる利得を伴ういくつかの範囲を横断してそのパルスを測定することが、有用であり得る。nを上回る、または下回る、任意の好適な数の利得段が、使用され得ることを理解されたい。 Variation 1100 includes a number n of data converters that can be large. In general, the number n of converters can be chosen so that there is one converter per range. In other situations, it may be advantageous to include either more or fewer converters than ranges. Multiple ranges/gain stages are also useful, for example, in pulsed input signal measurement applications. If an input signal transitions through multiple ranges, it may be useful to measure the pulse across several ranges with different gains. It should be understood that any suitable number of gain stages, greater or less than n, may be used.

他の範囲が所望の利得の間で信号を交互に通過させる間、共通利得チェーンにおけるある点において常に測定する範囲を有することが、有用であり得る。一変形例は、低費用ADCを使用し、低利得で入力信号を初期化し、本情報を使用し、高品質ADCにおいて利得を迅速に構成することができる。これは、異なる源の間で変化する入力に関して有益であり得る。大きい振幅スパイクを伴う入力信号もまた、測定システムに関する問題を引き起こし得る。したがって、同時に測定する多数のADCを有することによって、入力がその「正常」範囲内にあるが、依然として、信号スパイクを測定することが可能であるとき、正確な測定を達成することができる。他の変形例では、入力は、信号を測定するために異なるタイプのADCを同時に使用することから利益を享受することができる。高速ADCは、高分解能ADCとともに、異なるタイプの信号が、性能を犠牲にすることなく、測定および変換されることを可能にするであろう。これらの変形例は全て、他の目的のために入力信号を測定する他のADCとともに、予想アルゴリズムを使用することができる。多くの通信信号が、本タイプの信号特性を呈する。 It may be useful to have a range that always measures at some point in a common gain chain while other ranges alternately pass the signal between desired gains. One variation could use a low-cost ADC to initialize the input signal at a low gain and use this information to quickly configure the gain in a high-quality ADC. This could be beneficial for inputs that vary between different sources. Input signals with large amplitude spikes could also cause problems with the measurement system. Thus, by having multiple ADCs measuring simultaneously, accurate measurements could be achieved when the input is within its "normal" range but still be able to measure the signal spikes. In another variation, the input could benefit from using different types of ADCs simultaneously to measure the signal. A high-speed ADC along with a high-resolution ADC would allow different types of signals to be measured and converted without sacrificing performance. All of these variations could use predictive algorithms along with other ADCs that measure the input signal for other purposes. Many communication signals exhibit this type of signal characteristic.

図11に示されるように、変形例1100は、範囲ミキサ1110を含む。範囲ミキサ1110は、データコンバータ1108a-1108nの出力を混合し、データ出力1112に提供する。範囲ミキサ1110は、他の範囲ミキサの文脈において(例えば、範囲ミキサ1010の文脈において)本明細書に開示される任意の方法に従って出力を混合することができる。多くの異なるタイプの混合アルゴリズムもまた、異なる範囲を組み合わせ、変化する入力信号をより正確に測定するように設計されることができる。 As shown in FIG. 11, variation 1100 includes a range mixer 1110. Range mixer 1110 mixes the outputs of data converters 1108a-1108n and provides to data output 1112. Range mixer 1110 can mix the outputs according to any of the methods disclosed herein in the context of other range mixers (e.g., in the context of range mixer 1010). Many different types of mixing algorithms can also be designed to combine different ranges and more accurately measure the varying input signal.

図11に示されるように、各利得段セレクタ1116a-1116nは、利得段1104aおよび1104bの任意の組み合わせをデータコンバータ1108a-1108nに提供することができる。組み合わせは、ユーザ入力、本明細書に開示されるアルゴリズムのうちのいずれか(例えば、600、620、および910)を含む、本明細書に開示される利得選択の任意の手段によって選択されることができる。 As shown in FIG. 11, each gain stage selector 1116a-1116n can provide any combination of gain stages 1104a and 1104b to data converters 1108a-1108n. The combination can be selected by any of the means of gain selection disclosed herein, including user input, any of the algorithms disclosed herein (e.g., 600, 620, and 910).

図12Aは、範囲ミキサ410、510、710、1010、および1110によって実施され得る、例示的混合および自動レンジングアルゴリズム1200の概略図である。アルゴリズム1200は、図12Aに示されるように、3つの範囲A1、A2、およびA3を混合する。純粋に例証的な目的のために、A1>A2>A3である。より高い利得が、典型的には、測定される変数におけるより低い範囲と関連付けられ、逆もまた同様であることを理解されたい。したがって、A1>A2>A3の例示的利得構成は、以下の測定範囲構成、すなわち、r1<r2<r3に対応する可能性が最も高いであろう。本状況では、最も高い利得A1は、測定データr1における最も低い範囲等に適用されるであろう。図12Aは、測定信号の値が減少するにつれて、A3からA1に(上から下に)増加する利得を示す。すなわち、測定信号がr3からr1ヘの範囲内で減少する際のものである。 Figure 12A is a schematic diagram of an exemplary mixing and auto-ranging algorithm 1200 that may be implemented by range mixers 410, 510, 710, 1010, and 1110. The algorithm 1200 mixes three ranges A1, A2, and A3 as shown in Figure 12A. For purely illustrative purposes, A1>A2>A3. It should be understood that higher gains are typically associated with lower ranges in the measured variable, and vice versa. Thus, the exemplary gain configuration of A1>A2>A3 would most likely correspond to the following measurement range configuration: r1<r2<r3. In this situation, the highest gain A1 would be applied to the lowest range in the measurement data r1, and so on. Figure 12A shows the gain increasing (from top to bottom) from A3 to A1 as the value of the measurement signal decreases, i.e., as the measurement signal decreases within the range from r3 to r1.

測定信号が、最も高い範囲(例えば、図6Aの範囲r3)内にあるとき、アルゴリズム1200は、最も低い利得A3を適用する。測定信号が、減少し、次に最も低い範囲、すなわち、次により高い利得A2が所望される範囲に接近するにつれて、ミキサ(例えば、410、510、710、1010、および1110)は、アクティブになる。これは、段1204において起こる。段1204において、ミキサは、遷移を平滑化するために、A3およびA2を組み合わせる。1206において、A3およびA2範囲の間の遷移は、完了する。ミキサは、A2のみを適用する。段1208において、測定データは、確実にA2範囲内にある。ここでは、いずれの段の間の切替またはミキサによる混合も、誤りである。したがって、アルゴリズム1200は、予想範囲の変化を防止するヒステリシスを適用する。これは、データにおける雑音または収差に基づく電子機器のいかなる誤った切替も存在しないことを確実にする。ステップ1210において、測定データは、さらに減少し、最も高い利得A1が最も適切である、測定値における最も低い範囲(例えば、図6Aのr1)に接近する。したがって、アルゴリズム1200は、A1利得プロファイルを「ウォームアップ」する。ミキサは、この時点で測定信号に対して実際にA1利得を従事させない。代わりに、これは、生じ得るいずれの過渡事象も取り除くために、オンに切り替えられる。ミキサは、ステップ1212において、A2およびA1範囲を能動的に混合し始める。これは、測定信号が、ここでは、遷移を平滑化するために最も高い利得A1/最も低い測定範囲r1に十分に近接するためである。最後に、ステップ1214において、測定データは、ここでは、確実にA1範囲内にある。ミキサは、A1利得のみを提供する。 When the measurement signal is in the highest range (e.g., range r3 in FIG. 6A), the algorithm 1200 applies the lowest gain A3. As the measurement signal decreases and approaches the next lowest range, i.e., the range where the next higher gain A2 is desired, the mixers (e.g., 410, 510, 710, 1010, and 1110) become active. This occurs in stage 1204. In stage 1204, the mixers combine A3 and A2 to smooth the transition. In 1206, the transition between the A3 and A2 ranges is complete. The mixers apply only A2. In stage 1208, the measurement data is definitely in the A2 range. Now, any switching between stages or mixing by the mixer would be an error. Therefore, the algorithm 1200 applies hysteresis to prevent changes in the expected range. This ensures that there is no false switching of the electronics based on noise or aberrations in the data. In step 1210, the measurement data is further reduced and approaches the lowest range in the measurement (e.g., r1 in FIG. 6A) where the highest gain A1 is most appropriate. Thus, the algorithm 1200 "warms up" the A1 gain profile. The mixer does not actually engage the A1 gain on the measurement signal at this point. Instead, it is switched on to remove any transients that may occur. The mixer begins to actively mix the A2 and A1 ranges in step 1212. This is because the measurement signal is now close enough to the highest gain A1/lowest measurement range r1 to smooth the transition. Finally, in step 1214, the measurement data is now firmly in the A1 range. The mixer provides only the A1 gain.

図12Aは、最も低いA3利得から最も高いA1への利得の増加(最も高い測定範囲r3から最も低い測定範囲r1への範囲の減少)の観点から解説されたが、図12Aが、双方向性であることを理解されたい。すなわち、アルゴリズム1200はまた、r1からr3への測定データの範囲における増加に対応する、利得がA1からA3に減少する場合に進むことができる。その場合では、アルゴリズム1200は、逆の順序におけるステップ、すなわち、1214-1202に従うであろう。 Although FIG. 12A has been described in terms of an increase in gain from the lowest A3 gain to the highest A1 (a decrease in range from the highest measurement range r3 to the lowest measurement range r1), it should be understood that FIG. 12A is bidirectional. That is, algorithm 1200 can also proceed where gain decreases from A1 to A3, which corresponds to an increase in the range of the measurement data from r1 to r3. In that case, algorithm 1200 would follow steps in the reverse order, i.e., 1214-1202.

自動レンジングアルゴリズムは、任意の用途に関して異なり得、図12Aに示されるように、対称または線形であることを必要としない。非対称変形例1250が、図12Bに示される。図12Bでは、測定データの桁によって規定される3つの範囲、すなわち、10、1、および0.1が、存在する。数字10、1、および、0.1が、測定される変数(例えば、電圧)における範囲の桁を指すことに留意されたい。これは、範囲がそれらの利得A1、A2、およびA3によって参照される図12Aと異なる。利得は、測定される変数に反比例するため、最も低い測定範囲0.1は、最も高い利得(A0.1)に対応する。最も高い測定範囲10は、最も低い利得(A10)に対応する。10および0.1範囲の間の変化は、測定データの2桁の変化を表すため、範囲混合において十分に注意する必要がある。測定信号は、特に、0.1範囲内で非常に小さいため、これは、範囲混合によって容易に圧倒され得る。したがって、アルゴリズム1250は、慎重に範囲混合を適用する。 The auto ranging algorithm may be different for any given application and need not be symmetric or linear as shown in FIG. 12A. An asymmetric variation 1250 is shown in FIG. 12B. In FIG. 12B, there are three ranges defined by the orders of magnitude of the measurement data: 10, 1, and 0.1. Note that the numbers 10, 1, and 0.1 refer to the orders of magnitude of the range in the variable being measured (e.g., voltage). This differs from FIG. 12A, where the ranges are referenced by their gains A1, A2, and A3. Since the gain is inversely proportional to the variable being measured, the lowest measurement range 0.1 corresponds to the highest gain ( A0.1 ). The highest measurement range 10 corresponds to the lowest gain ( A10 ). Since a change between the 10 and 0.1 ranges represents a two order of magnitude change in the measurement data, great care must be taken in range blending. Since the measurement signal is very small, especially within the 0.1 range, this can easily be overwhelmed by range blending. Therefore, algorithm 1250 applies range blending judiciously.

測定信号が、最も高い測定データ範囲10内にあるとき、アルゴリズム1250は、その範囲に関して適切な最も低い利得(A10)を適用する。これは、図12の段1252である。測定信号が減少し、次に最も高い測定データ範囲である1に接近するにつれて、ミキサは、アクティブになる。これは、段1254において起こる。段1254において、ミキサは、遷移を平滑化するために、10(A10)および1(A)範囲に関する利得を組み合わせる。1256において、10および1範囲の間の遷移は、完了する。ミキサは、1(A)に関する利得のみを適用する。しかしながら、1および10範囲の間の範囲における差異は、非常に大きいため、10(A10)測定データ範囲に関する電子機器は、ウォームアップされたままである。いかなる混合も存在しないが、ミキサは、飽和を防止するために、必要に応じて、範囲を切り替えることができる状態である。段1258において、測定データは、確実に1範囲内にあるため、範囲10への切替は、可能ではない。ここでは、いずれの段の間の切替またはミキサによる混合も、誤りである。したがって、アルゴリズム1250は、予想範囲の変化を防止するヒステリシスを適用する。これは、データにおける雑音または収差に基づく電子機器のいかなる誤った切替も存在しないことを確実にする。ステップ1260において、測定データは、最も低い0.1測定データ範囲に接近するほど十分に減少する。本ステップでは、ミキサは、0.1範囲に関する電子機器を従事させるが、それらをオフラインに保つ(すなわち、範囲を混合しない)ことによって、下向きの範囲変化を予想する。測定データが、0.1範囲に向かって減少し続ける際、アルゴリズム1260は、ステップ1262に入る。本段では、ミキサは、0.1範囲への遷移を平滑化するために、0.1(A0.1)および1(A)範囲に関する利得を能動的に組み合わせる。最後に、ステップ1264において、測定データは、ここでは、確実に0.1範囲内にある。ミキサは、最も低い0.1測定データ範囲と関連付けられる利得(A0.1)のみを提供する。 When the measurement signal is within the highest measurement data range 10, the algorithm 1250 applies the lowest gain appropriate for that range (A 10 ). This is stage 1252 in FIG. 12. As the measurement signal decreases and approaches the next highest measurement data range, 1, the mixer becomes active. This occurs in stage 1254. In stage 1254, the mixer combines the gains for the 10 (A 10 ) and 1 (A 1 ) ranges to smooth the transition. In 1256, the transition between the 10 and 1 ranges is complete. The mixer applies only the gain for 1 (A 1 ). However, the difference in range between the 1 and 10 ranges is so large that the electronics for the 10 (A 10 ) measurement data range remain warmed up. There is no mixing, but the mixer is ready to switch ranges as needed to prevent saturation. At stage 1258, the measurement data is firmly within the 1 range, so switching to range 10 is not possible. Now, any switching between stages or mixing by the mixer would be incorrect. Therefore, the algorithm 1250 applies hysteresis to prevent expected range changes. This ensures that there is no incorrect switching of the electronics based on noise or aberrations in the data. At step 1260, the measurement data decreases enough to approach the lowest 0.1 measurement data range. At this step, the mixer anticipates the downward range change by engaging the electronics for the 0.1 range but keeping them offline (i.e., not mixing ranges). As the measurement data continues to decrease towards the 0.1 range, the algorithm 1260 enters step 1262. At this stage, the mixer actively combines the gains for the 0.1 (A 0.1 ) and 1 (A 1 ) ranges to smooth the transition to the 0.1 range. Finally, in step 1264, the measurement data is now reliably within the 0.1 range. The mixer provides only the gain (A 0.1 ) associated with the lowest 0.1 measurement data range.

図12Bは、最も高い10範囲から最も低い0.1測定データ範囲への測定範囲の減少(利得の増加)の観点から解説されたが、図12Bが、双方向性であることを理解されたい。すなわち、アルゴリズム1250はまた、測定データが範囲0.1から10に増加しており、対応する利得が減少している場合に進むことができる。その場合では、アルゴリズム1260は、逆の順序におけるステップ、すなわち、1264-1252に従うであろう。 Although FIG. 12B has been described in terms of a decrease in measurement range (increasing gain) from the highest 10 range to the lowest 0.1 measurement data range, it should be understood that FIG. 12B is bidirectional. That is, algorithm 1250 can also proceed if the measurement data is increasing from the range 0.1 to 10 with a corresponding decrease in gain. In that case, algorithm 1260 would follow steps in the reverse order, i.e., 1264-1252.

図13Aおよび13Bは、本明細書に開示されるアルゴリズム(例えば、600、620、910、1200、および1250)を実装する際にミキサによって実施され得る、範囲変化予想アルゴリズム1300を表す、フローチャートを示す。 Figures 13A and 13B show a flow chart illustrating a range change prediction algorithm 1300 that may be performed by the mixer when implementing the algorithms disclosed herein (e.g., 600, 620, 910, 1200, and 1250).

アルゴリズム1300は、入力信号を初期化することによって開始される。ステップ1302において、入力信号が、測定される。第1の範囲Aが、ステップ1302における入力信号との比較のためにアクティブにされる。その比較は、ステップ1304において行われる。 The algorithm 1300 begins by initializing an input signal. In step 1302, the input signal is measured. A first range A is activated for comparison to the input signal in step 1302. The comparison is made in step 1304.

範囲Aが、所望されない場合、アルゴリズム1300は、ステップ1306において範囲が低すぎるか、または高すぎるかどうかを決定する。範囲が、高すぎる場合、範囲は、ステップ1308aにおいて減少される。範囲Aが、測定入力信号に関して低すぎる場合、範囲Aに関する利得は、ステップ1308bにおいて増加される。範囲Aが増加または減少されるかどうかにかかわらず、次のステップ1310は、利得変化によって引き起こされるいずれの過渡的効果も消散することを待機する。過渡的消散に続けて、アルゴリズム130は、再びステップ1302を実施し、信号を測定し、範囲Aに関する修正された利得と比較する。 If range A is not desired, algorithm 1300 determines whether the range is too low or too high in step 1306. If the range is too high, the range is decreased in step 1308a. If range A is too low for the measured input signal, the gain for range A is increased in step 1308b. Whether range A is increased or decreased, the next step 1310 waits for any transient effects caused by the gain change to dissipate. Following transient dissipation, algorithm 130 again performs step 1302, measuring the signal and comparing it to the revised gain for range A.

ステップ1304が、範囲Aと関連付けられる利得が測定信号に関して所望されると決定すると、アルゴリズム1300は、ステップ1312に進む。ステップ1312において、アルゴリズムは、範囲Aから新しい範囲Bへの変化を予想する。これは、新しい範囲Bと関連付けられる電子機器を「ウォームアップ」する。ステップ1314において、アルゴリズム1300は、新しい範囲Bおよび測定された入力のその査定に基づいて、入力を開始する。ステップ1316において、アルゴリズム1300は、範囲AおよびBの両方における入力を測定する。ステップ1318において、アルゴリズム1300は、アクティブであるための(すなわち、入力を測定する際の使用のための)範囲AおよびBのうちの測定された入力に関する最良な範囲を選択する。 If step 1304 determines that the gain associated with range A is desired for the measured signal, then algorithm 1300 proceeds to step 1312. In step 1312, the algorithm predicts a change from range A to new range B. This "warms up" the electronics associated with the new range B. In step 1314, algorithm 1300 initiates the input based on its assessment of the new range B and the measured input. In step 1316, algorithm 1300 measures the input in both ranges A and B. In step 1318, algorithm 1300 selects the best range of ranges A and B for the measured input to be active (i.e., for use in measuring the input).

アルゴリズム1300は、次いで、測定された入力および現在の範囲AおよびBに基づいて、スイッチング閾値を決定するプロセスを開始する。ステップ1320において、アルゴリズム1300は、アクティブ範囲が下の範囲のスイッチング閾値を下回るかどうかを決定する。アクティブ範囲が、下の範囲の閾値を下回る場合、アルゴリズム1300は、ステップ1322を実施し、範囲AおよびBのうちのコールドまたは未使用範囲がより低い範囲内にあるかどうかを決定する。コールド範囲AまたはBが、より低い範囲内にある場合、アルゴリズム1300は、ステップ1324に進み、混合を開始する。コールド範囲Aが、より低い範囲ではない場合、アルゴリズム1300は、ステップ1326においてコールド範囲をより低い範囲に設定し、次いで、ステップ1324に進み、混合を開始する。 The algorithm 1300 then begins the process of determining a switching threshold based on the measured input and the current ranges A and B. In step 1320, the algorithm 1300 determines whether the active range is below the lower range switching threshold. If the active range is below the lower range threshold, the algorithm 1300 performs step 1322 to determine whether the cold or unused range of ranges A and B is within the lower range. If cold range A or B is within the lower range, the algorithm 1300 proceeds to step 1324 to begin blending. If cold range A is not the lower range, the algorithm 1300 sets the cold range to the lower range in step 1326 and then proceeds to step 1324 to begin blending.

アルゴリズム1300が、ステップ1320においてアクティブ範囲が下のスイッチ閾値を下回らないと決定する場合、これは、ステップ1328に進む。ステップ1328において、アルゴリズム1300は、アクティブ範囲が上のスイッチ閾値を上回るかどうかを決定する。該当する場合、アルゴリズム1300は、ステップ1330に進み、範囲AおよびBのうちのコールドまたは未使用範囲がより高い範囲であるかどうかを決定する。コールド範囲AまたはBが、より高い範囲内にある場合、アルゴリズム1300は、ステップ1324に進み、混合を開始する。コールド範囲Aが、より高い範囲ではない場合、アルゴリズム1300は、ステップ1332においてコールド範囲をより高い範囲に設定し、次いで、ステップ1324に進み、混合を開始する。 If the algorithm 1300 determines in step 1320 that the active range is not below the lower switch threshold, it proceeds to step 1328. In step 1328, the algorithm 1300 determines whether the active range is above the upper switch threshold. If so, the algorithm 1300 proceeds to step 1330 to determine whether the cold or unused range of ranges A and B is the higher range. If cold range A or B is in the higher range, the algorithm 1300 proceeds to step 1324 to start blending. If cold range A is not the higher range, the algorithm 1300 sets the cold range to the higher range in step 1332 and then proceeds to step 1324 to start blending.

アルゴリズム1300が、アクティブ範囲が下のスイッチ閾値を下回らないことを見出し(ステップ1320)、これがまた上のスイッチ閾値を上回らないことを見出す(ステップ1328)場合、アルゴリズムは、ステップ1334に進む。ステップ1334において、アルゴリズム1300は、範囲変化を防止するために、ヒステリシスを適用する。これは、測定信号が範囲変化の上または下の閾値内にないためである。したがって、範囲を変化させるいずれの決定も、データにおける誤った雑音またはグリッチに基づくであろう。いったんヒステリシスが適用されると、アルゴリズムは、ステップ1324に進み、混合を開始する。 If the algorithm 1300 finds that the active range does not fall below the lower switch threshold (step 1320) and also does not exceed the upper switch threshold (step 1328), the algorithm proceeds to step 1334. In step 1334, the algorithm 1300 applies hysteresis to prevent a range change. This is because the measured signal is not within the upper or lower thresholds of the range change. Therefore, any decision to change the range would be based on erroneous noise or glitches in the data. Once hysteresis has been applied, the algorithm proceeds to step 1324 and begins mixing.

ステップ1324において、アルゴリズム1300は、混合を開始するステップを開始する。第1のステップは、コールド範囲が安定していることを確認することである。コールド範囲が、安定している場合、本システムは、混合ができる状態である。次いで、アルゴリズム1300は、ステップ1326に進み、範囲を混合するべきかどうかを決定する。混合することが、決定される場合、アルゴリズム1300は、ステップ1328において範囲を混合し、次いで、ステップ1330において混合信号を出力として提供する。決定が、混合しないことである場合、アルゴリズムは、ステップ1332において出力をアクティブ範囲に設定する。コールド範囲が、安定していない場合、アルゴリズム1300は、ステップ1324からステップ1332に進み、出力をアクティブ範囲に設定する。1332において出力がアクティブ範囲に設定された後、次いで、信号は、ステップ1330において出力される。 In step 1324, the algorithm 1300 begins the steps to start blending. The first step is to make sure the cold range is stable. If the cold range is stable, the system is ready to blend. The algorithm 1300 then proceeds to step 1326 to determine whether to blend the range. If the decision is to blend, the algorithm 1300 blends the range in step 1328 and then provides the blended signal as an output in step 1330. If the decision is not to blend, the algorithm sets the output to the active range in step 1332. If the cold range is not stable, the algorithm 1300 proceeds from step 1324 to step 1332 and sets the output to the active range. After the output is set to the active range in 1332, the signal is then output in step 1330.

レンジングは、アルゴリズムによって排他的に遂行される必要はない。これはまた、ハードウェアを介して遂行されることができる。図14は、1つのそのような例示的ハードウェア変形例1400によって入力されるパラメータを示す。1400において、名前付きの範囲を測定することが可能な「主」チャネルおよびより少ない利得を伴う「副」チャネルが、存在する。各レンジング更新において、主チャネル上のフルスケールインジケーションのパーセンテージが、以下のように挙動を決定するために使用されることができる。
Ranging does not have to be performed exclusively by an algorithm. It can also be performed via hardware. Figure 14 shows the parameters input by one such example hardware variant 1400. In 1400, there is a "primary" channel capable of measuring named ranges and a "secondary" channel with less gain. At each ranging update, the percentage of full scale indication on the primary channel can be used to determine the behavior as follows:

図14は、範囲混合アルゴリズム1400が異なる入力レベルに関して挙動するであろう方法を示す。より具体的には、図14は、アルゴリズム1400が、入力(すなわち、範囲、範囲列挙、入力電圧、プリアンプの有効化、段Bの有効化、段Cの有効化、チャネルA利得、およびチャネルB利得)に基づいて、異なるチャネル利得AおよびBを混合(すなわち、「混合」)するであろう方法を示す。入力は、2つの利得チャネルAおよびBおよび2つのサンプル段BおよびCに関する。「範囲列挙」は、特定の範囲の整数表現である(すなわち、10V範囲は「0」であり、1V範囲は「1」であり、100mV範囲は「2」である等)。 Figure 14 illustrates how the range blending algorithm 1400 would behave with respect to different input levels. More specifically, Figure 14 illustrates how the algorithm 1400 would blend (i.e., "mix") different channel gains A and B based on the inputs (i.e., range, range enumeration, input voltage, preamp enable, stage B enable, stage C enable, channel A gain, and channel B gain). The inputs relate to two gain channels A and B and two sample stages B and C. The "range enumeration" is an integer representation of a particular range (i.e., 10V range is "0", 1V range is "1", 100mV range is "2", etc.).

図15は、変形例400、500、700、800、1000、1100およびアルゴリズム600、620、910、1200、1250、1300、および1400を使用し得る、例示的ヘッドユニット1550と例示的測定ポッド1560との間の測定信号チェーン1500を図示する。図15は、システム1500におけるシームレスなレンジングの特定の側面を示すが、システム1500が、本明細書に開示される任意の変形例を適応させ得ることを理解されたい。 Figure 15 illustrates a measurement signal chain 1500 between an example head unit 1550 and an example measurement pod 1560 that may use variations 400, 500, 700, 800, 1000, 1100 and algorithms 600, 620, 910, 1200, 1250, 1300, and 1400. While Figure 15 illustrates certain aspects of seamless ranging in system 1500, it should be understood that system 1500 may accommodate any variation disclosed herein.

図15に示されるように、ヘッド1550は、測定チャネル1502を含む。例示的事例では、2つの入力測定チャネルが、存在し、1つは、範囲Aに関するものであり、1つは、範囲Bに関するものであり、それぞれ、その関連付けられるADCを伴う。いくつかの変形例では、各測定ユニット1560が、ヘッド1550と通信する関連付けられる構成1500を有するであろうことに留意されたい。これは、3つの測定ポッド1560を伴う変形例が6つのADCを有し得ることを意味する。任意の好適な数の測定チャネルが、特定の測定および関与する範囲の数に応じて、可能性として考えられ、これが、実質的に2つを上回り得る(例えば、3つ、4つ、またはそれを上回る)ことを理解されたい。測定チャネル1502は、図15に示されるように、いくつかの可変増幅器1520およびアナログフィルタ1504を介して測定ポッド1560から取得されてもよい。増幅器1520上の利得は、図10-12の利得1520a-1520cの文脈において説明されるように設定されてもよい。チャネル1502は、範囲混合信号1508と組み合わせられ(1506)、ロックインを介して復調1510のために送信されてもよい。復調は、基準信号(例えば、基準(ロックイン)および基準+90度(ロックイン)1512)によって通知され、信号精緻化のためにデジタルフィルタ1514を受けてもよい。 As shown in FIG. 15, the head 1550 includes a measurement channel 1502. In the exemplary case, there are two input measurement channels, one for range A and one for range B, each with its associated ADC. Note that in some variations, each measurement unit 1560 will have an associated configuration 1500 in communication with the head 1550. This means that a variation with three measurement pods 1560 may have six ADCs. It should be understood that any suitable number of measurement channels is possible, depending on the particular measurement and the number of ranges involved, which may be substantially more than two (e.g., three, four, or more). The measurement channel 1502 may be obtained from the measurement pod 1560 via a number of variable amplifiers 1520 and analog filters 1504, as shown in FIG. The gain on the amplifier 1520 may be set as described in the context of gains 1520a-1520c in Figures 10-12. The channel 1502 may be combined 1506 with a range mixed signal 1508 and sent for demodulation 1510 via lock-in. The demodulation may be informed by a reference signal (e.g., Reference (Lock-in) and Reference +90 Degrees (Lock-in) 1512) and may undergo a digital filter 1514 for signal refinement.

信号は、DC、AC、またはロックイン処理を含む、任意の数の方法において処理されることができる。範囲決定は、測定のために実施されている他の処理の内容にかかわらず、測定されたサンプル信号のピーク値に基づいて行われることができる。これは、ピーク値が増幅器過負荷を引き起こすであろうものであるためである。図15に示されるように、範囲ミキサ1508はさらに、最終的に増幅器1520およびアナログフィルタ1504にフィードバックされる範囲および設定1516に関する出力を提供し、具体的には、範囲AおよびBのそれぞれに関して測定されたサンプル信号の利得および処理を調節してもよい。範囲ミキサ1508は、範囲ミキサ410、510、710、1010、および1110の文脈において上記に説明されるように機能してもよい。本プロセスは、連続的測定レンジングおよび/または範囲混合と称される。その目的は、測定ポッド1560が、測定されたサンプル信号の範囲の変化を調節するためにその入手パラメータを変更しなければならないとき、そうでなければ生じ得るグリッチまたは測定不一致がないことを保証することである。 The signal can be processed in any number of ways, including DC, AC, or lock-in processing. The range determination can be based on the peak value of the measured sample signal, regardless of other processing being performed for the measurement. This is because the peak value is what would cause amplifier overload. As shown in FIG. 15, the range mixer 1508 may also provide an output regarding range and settings 1516 that is ultimately fed back to the amplifier 1520 and analog filter 1504 to adjust the gain and processing of the measured sample signal for each of ranges A and B. The range mixer 1508 may function as described above in the context of range mixers 410, 510, 710, 1010, and 1110. This process is referred to as continuous measurement ranging and/or range mixing. The purpose is to ensure that there are no glitches or measurement discrepancies that may otherwise occur when the measurement pod 1560 must change its acquisition parameters to adjust for changes in the range of the measured sample signal.

測定ポッド1560はさらに、分析、データの通信、コマンド情報、電力調整、計時、および外部デバイスとの通信を含む、種々の機能を実施することが可能なデジタル(非アナログ)回路を含んでもよい。変形例では、測定ポッド1560は、測定を実施する、または源信号を提供する間に本非アナログ回路を非アクティブ化する能力を有する。そうすることは、信号または測定における干渉および雑音の量を減少させる。同一の理由から、測定ポッド1560におけるデジタル信号は、源ポッド1560およびヘッド1550から分離されてもよい。 The measurement pod 1560 may further include digital (non-analog) circuitry capable of performing various functions, including analysis, communication of data, command information, power regulation, timing, and communication with external devices. In a variation, the measurement pod 1560 has the ability to deactivate this non-analog circuitry while performing measurements or providing a source signal. Doing so reduces the amount of interference and noise in the signal or measurement. For the same reasons, the digital signals in the measurement pod 1560 may be isolated from the source pod 1560 and head 1550.

システム1500の他の変形例は、任意の好適な数のヘッド1550、源ポッドおよび測定ポッド1560を含む。例えば、図16は、ヘッドユニット1550が3つの測定タイプポッド1560aおよび3つの源タイプポッド1560bをサポートし得る6つのチャネルを有し得る、別の例示的変形例1600を示す。本変形例では、ヘッド1550はまた、随意のコンピュータ1602および3つの例示的なサンプリングされた、または試験中のデバイス(DUT)1570に接続されて示される。再び、本構成は、単に例示的である。等しい数の測定ポッド1950aおよび源ポッド1950bに関するいかなる要件も、存在しない。1つの源1950aが、例えば、全ての3つのDUT1570に関する励起信号を提供し得る。 Other variations of the system 1500 include any suitable number of heads 1550, source pods, and measurement pods 1560. For example, FIG. 16 shows another exemplary variation 1600 in which the head unit 1550 may have six channels that may support three measurement type pods 1560a and three source type pods 1560b. In this variation, the head 1550 is also shown connected to an optional computer 1602 and three exemplary sampled or devices under test (DUTs) 1570. Again, this configuration is merely exemplary. There is no requirement for an equal number of measurement pods 1950a and source pods 1950b. One source 1950a may, for example, provide excitation signals for all three DUTs 1570.

本発明の種々の発明的側面、概念、および特徴が、例示的実施形態において組み合わせて具現化されるように、本明細書に説明および例証され得るが、これらの種々の側面、概念、および特徴は、個々に、またはその種々の組み合わせおよび副次的組み合わせにおいてのいずれかで、多くの代替実施形態において使用され得る。本明細書で明確に除外されない限り、全てのそのような組み合わせおよび副次的組み合わせは、本発明の範囲内であることを意図している。なおもさらに、代替材料、構造、構成、方法、回路、デバイスおよびコンポーネント、ソフトウェア、ハードウェア、制御論理、形態、適合性、および機能に関する代替等、本発明の種々の側面、概念、および特徴に関する種々の代替実施形態が、本明細書に説明され得るが、そのような説明は、現在公知または後に開発されるかどうかにかかわらず、利用可能な代替実施形態の完全または網羅的リストであることを意図していない。当業者は、発明的側面、概念、または特徴のうちの1つまたはそれを上回るものを、そのような実施形態が本明細書に明確に開示されない場合であっても、本発明の範囲内の付加的実施形態および使用に容易に採用し得る。 Although various inventive aspects, concepts, and features of the invention may be described and illustrated herein as embodied in combination in exemplary embodiments, these various aspects, concepts, and features may be used in many alternative embodiments, either individually or in various combinations and subcombinations thereof. Unless expressly excluded herein, all such combinations and subcombinations are intended to be within the scope of the invention. Still further, various alternative embodiments of the various aspects, concepts, and features of the invention may be described herein, such as alternative materials, structures, configurations, methods, circuits, devices and components, software, hardware, control logic, form, compatibility, and function, but such descriptions are not intended to be a complete or exhaustive list of available alternative embodiments, whether currently known or later developed. Those skilled in the art may readily adopt one or more of the inventive aspects, concepts, or features into additional embodiments and uses within the scope of the invention, even if such embodiments are not expressly disclosed herein.

加えて、本発明のいくつかの特徴、概念、または側面が、好ましい配列または方法であるとして本明細書に説明され得るが、そのような説明は、明確にそのように記載されない限り、そのような特徴が要求される、または必要であることを示唆することを意図していない。なおもさらに、例示的または代表的値および範囲が、本開示を理解することを補助するために含まれ得るが、しかしながら、そのような値および範囲は、限定的意味で解釈されるものではなく、そのように明確に記載される場合のみ、臨界値または範囲であることを意図している。なおもさらに、例示的または代表的値および範囲が、本開示を理解することを補助するために含まれ得るが、しかしながら、そのような値および範囲は、限定的意味で解釈されるものではなく、そのように明確に記載される場合のみ、臨界値または範囲であることを意図している。「およそ」または「約」規定された値として識別されるパラメータは、別様に明確に記載されない限り、規定された値および規定された値の10%以内の値の両方を含むことを意図している。さらに、本願に付随する図面が、そうである必要はないが、縮尺通りであり得、したがって、図面に明白な種々の比率および割合を教示するものとして理解され得ることを理解されたい。また、種々の側面、特徴、および概念が、発明的である、または本発明の一部を形成するものとして本明細書に明確に識別され得るが、そのような識別は、排他的であることを意図しておらず、むしろ、そのように、または具体的発明の一部として明確に識別されることなく、本明細書に完全に説明される発明的側面、概念、および特徴が、存在し、本発明は、代わりに、添付される請求項に記載され得る。例示的方法またはプロセスの説明は、全ての場合に要求されるものとしての全てのステップの包含に限定されない、またはステップが提示される順序は、明確にそのように記載されない限り、要求される、または必要なものとして解釈されるものではない。 In addition, although some features, concepts, or aspects of the invention may be described herein as being preferred arrangements or methods, such description is not intended to imply that such features are required or necessary unless expressly so described. Still further, exemplary or representative values and ranges may be included to aid in understanding the present disclosure, however, such values and ranges are not intended to be construed in a limiting sense, and are intended to be critical values or ranges only if so expressly described. Still further, exemplary or representative values and ranges may be included to aid in understanding the present disclosure, however, such values and ranges are not intended to be construed in a limiting sense, and are intended to be critical values or ranges only if so expressly described. Parameters identified as "approximately" or "about" a specified value are intended to include both the specified value and values within 10% of the specified value, unless expressly described otherwise. Furthermore, it is to be understood that the drawings accompanying this application may, but need not be, to scale and thus may be understood as teaching various ratios and proportions apparent in the drawings. Also, although various aspects, features, and concepts may be expressly identified herein as being inventive or forming part of the invention, such identification is not intended to be exclusive; rather, there are inventive aspects, concepts, and features that are fully described herein without being expressly identified as such or as part of a specific invention, and the invention may instead be set forth in the appended claims. The description of an exemplary method or process is not limited to the inclusion of every step as required in all cases, nor should the order in which the steps are presented be construed as required or necessary unless expressly so recited.

Claims (21)

測定システムであって、
アナログ入力信号を増幅するように構成される利得チェーンと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ-デジタルコンバータ(ADC)からの複数のADC出力との間の利得を選択するように構成される範囲セレクタであって、各ADC出力は、出力経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける複数の利得段から構成される、範囲セレクタと、
前記複数のADC出力を単一の混合出力に組み合わせるように構成されるミキサと
を備え、
前記複数のADCは、第1のADCと、第2のADCとを備え、
前記複数のADC出力を組み合わせることは、
混合出力=αEfirst+(1-α)Esecond
に従って実施され、
式中、
firstは、前記第1のADCの出力であり、
secondは、前記第2のADCの出力であり、
αは、1からゼロに変動する混合パラメータである、測定システム。
1. A measurement system comprising:
a gain chain configured to amplify the analog input signal;
a range selector configured to select a gain between the analog input signal and a plurality of analog-to-digital converter (ADC) outputs from a plurality of ADCs, each ADC output having an output path, the gain of each output path being configured from a plurality of gain stages in the gain chain;
a mixer configured to combine the multiple ADC outputs into a single mixed output;
the plurality of ADCs includes a first ADC and a second ADC;
Combining the plurality of ADC outputs comprises:
Mixed output = αE first + (1-α)E second
Implemented in accordance with
In the formula,
E first is the output of the first ADC;
E second is the output of the second ADC;
α is a mixing parameter that ranges from 1 to zero in the measurement system.
3つ以上のADCを備える、請求項1に記載の測定システム。 The measurement system of claim 1 comprising three or more ADCs. 前記利得チェーンは、第1の部分と、第2の部分とを備え、
前記利得チェーンの前記第1の部分は、前記第1のADCに接続され、前記利得チェーンの前記第2の部分は、前記第2のADCに接続される、請求項1に記載の測定システム。
the gain chain comprises a first portion and a second portion;
2. The measurement system of claim 1, wherein the first portion of the gain chain is connected to the first ADC and the second portion of the gain chain is connected to the second ADC .
前記範囲セレクタは、前記利得チェーンの前記第1の部分から前記第1のADCに関する利得を選択し、前記利得チェーンの前記第2の部分から前記第2のADCに関する利得を選択する、請求項3に記載の測定システム。 4. The measurement system of claim 3 , wherein the range selector selects a gain for the first ADC from the first portion of the gain chain and selects a gain for the second ADC from the second portion of the gain chain. 前記利得チェーンにおける前記複数の利得段はそれぞれ、1つまたは複数のスイッチバンクを介して前記複数のADCのそれぞれに接続される、請求項1に記載の測定システム。 2. The measurement system of claim 1, wherein each of the multiple gain stages in the gain chain is connected to each of the multiple ADCs via one or more switch banks. 前記利得段は、第1の部分と、第2の部分とを備え、
前記範囲セレクタは、前記1つまたは複数のスイッチバンクにおけるスイッチを設定することによって、前記第1のADCに関する前記複数の利得段の前記第1の部分および前記第2のADCに関する前記複数の利得段の前記第2の部分を選択する、請求項5に記載の測定システム。
the gain stage comprises a first section and a second section;
6. The measurement system of claim 5, wherein the range selector selects the first portion of the multiple gain stages for the first ADC and the second portion of the multiple gain stages for the second ADC by setting switches in the one or more switch banks.
前記利得段は、第1の部分と、第2の部分とを備え、
前記範囲セレクタは、第1および第2のマルチプレクサを備え、
前記第1のマルチプレクサは、前記第1の部分を選択し、前記第2のマルチプレクサは、前記第2の部分を選択する、請求項5に記載の測定システム。
the gain stage comprises a first section and a second section;
the range selector comprises first and second multiplexers;
6. The measurement system of claim 5, wherein the first multiplexer selects the first portion and the second multiplexer selects the second portion.
記第1の部分の選択は、前記第1のADCに関する利得を構成することを含み、前記第2の部分の選択は、前記第2のADCに関する利得を構成することを含む、請求項7に記載の測定システム。 8. The measurement system of claim 7, wherein selecting the first portion includes configuring a gain for the first ADC and selecting the second portion includes configuring a gain for the second ADC . 記第のADCおよび前記第2のADCに関する利得を構成することは、前記アナログ入力信号に従って前記利得を構成することを含む、請求項8に記載の測定システム。 9. The measurement system of claim 8, wherein configuring a gain for the first ADC and the second ADC comprises configuring the gain according to the analog input signal . 各出力経路の前記利得は同一であり、
前記ミキサは、各出力経路からの前記出力を平均化し、前記単一の混合出力における雑音を低減させる、請求項1に記載の測定システム。
the gain of each output path is the same ;
10. The measurement system of claim 1, wherein the mixer averages the output from each output path to reduce noise in the single mixed output.
測定システムであって、
アナログ入力信号を増幅するように構成される利得チェーンと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ-デジタルコンバータ(ADC)からの複数のADC出力との間の利得を選択するように構成される範囲セレクタであって、各ADC出力は、出力経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける複数の利得段から構成される、範囲セレクタと、
ミキサであって、前記ミキサは、
前記アナログ入力信号の値が第1の範囲内にあるとき、第1の単一の混合出力として第1のADCからの出力を選択することと、
前記アナログ入力信号の値が第2の範囲内にあるとき、第2の単一の混合出力として第2のADCからの出力を選択することと、
前記アナログ入力信号の値が前記第1の範囲の上限と前記第2の範囲の下限との間にあるとき、第3の単一の混合出力として前記第1のADCからの前記出力と前記第2のADCからの前記出力との組み合わせを選択することと
を行うように構成される、ミキサと
を備える、測定システム。
1. A measurement system comprising:
a gain chain configured to amplify the analog input signal;
a range selector configured to select a gain between the analog input signal and a plurality of analog-to-digital converter (ADC) outputs from a plurality of ADCs, each ADC output having an output path, the gain of each output path being configured from a plurality of gain stages in the gain chain;
A mixer, the mixer comprising:
selecting an output from a first ADC as a first single mixed output when a value of the analog input signal is within a first range;
selecting an output from a second ADC as a second single mixed output when a value of the analog input signal is within a second range;
selecting a combination of the output from the first ADC and the output from the second ADC as a third single mixed output when the value of the analog input signal is between an upper limit of the first range and a lower limit of the second range.
前記測定システムは、
前記アナログ入力信号の値が前記第1の範囲内にあるとき、第1の遷移周期の間に前記第2のADCをオンラインに維持し、
前記アナログ入力信号の値が前記第2の範囲内にあるとき、第2の遷移周期の間に前記第1のADCをオンラインに維持する、
請求項11に記載の測定システム。
The measurement system comprises:
maintaining the second ADC online during a first transition period when the value of the analog input signal is within the first range;
maintaining the first ADC online during a second transition period when the value of the analog input signal is within the second range;
The measurement system of claim 11.
ヒステリシス周期の間、前記測定システムは、
前記第1のADCをオフラインに維持し、
前記第2のADCをオンラインに維持し、
前記第2のADCの利得を一定に維持する、
請求項12に記載の測定システム。
During the hysteresis period, the measurement system:
maintaining the first ADC offline;
maintaining said second ADC online;
maintaining the gain of the second ADC constant;
13. The measurement system of claim 12.
前記ヒステリシス周期は、前記第1の遷移周期と前記第2の遷移周期との間である、請求項13に記載の測定システム。 The measurement system of claim 13 , wherein the hysteresis period is between the first transition period and the second transition period. 測定システムであって、
アナログ入力信号を増幅するように構成される利得チェーンと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ-デジタルコンバータ(ADC)からの複数のADC出力との間の利得を選択するように構成される範囲セレクタであって、各ADC出力は、出力経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける複数の利得段から構成される、範囲セレクタと、
前記複数のADC出力を単一の混合出力に組み合わせるように構成されるミキサと
を備え、
前記複数のADC出力は
高範囲経路および低範囲経路に独立して構成され得る2つの出力経路であって、
前記低範囲経路は、前記アナログ入力信号を変換するための第1の利得を有し、
前記高範囲経路は、前記アナログ入力信号を変換するための第2の利得を有し、前記第2の利得は、前記第1の利得よりも低い、
2つの出力経路と、
前記低範経路の出力を前記高範経路の出力と組み合わせるように構成される混合デバイス
を備える、測定システム。
1. A measurement system comprising:
a gain chain configured to amplify the analog input signal;
a range selector configured to select a gain between the analog input signal and a plurality of analog-to-digital converter (ADC) outputs from a plurality of ADCs, each ADC output having an output path, the gain of each output path being configured from a plurality of gain stages in the gain chain;
a mixer configured to combine the multiple ADC outputs into a single mixed output;
The plurality of ADC outputs include
Two output paths that can be independently configured into a high range path and a low range path,
the low range path having a first gain for converting the analog input signal;
the high range path has a second gain for converting the analog input signal, the second gain being lower than the first gain;
Two output paths;
a mixing device configured to combine an output of the low range path with an output of the high range path ;
A measurement system comprising:
前記高範囲経路は、第1の利得チェーンに接続され、前記低範囲経路は、第2の利得チェーンに接続される、請求項15に記載の測定システム。 16. The measurement system of claim 15 , wherein the high range path is connected to a first gain chain and the low range path is connected to a second gain chain. 前記第1の利得に関する前記第1の利得チェーンの利得段を選択し、前記第2の利得に関する前記第2の利得チェーンの利得段を選択するためのセレクタをさらに備える、請求項16に記載の測定システム。 17. The measurement system of claim 16 , further comprising a selector for selecting a gain stage of the first gain chain for the first gain and for selecting a gain stage of the second gain chain for the second gain. 前記第1および第2の利得はそれぞれ、前記低範囲経路および前記高範囲経路に共通の利得チェーンにおける利得段を備える、請求項15に記載の測定システム。 16. The measurement system of claim 15 , wherein the first and second gains each comprise a gain stage in a gain chain common to the low range path and the high range path. 方法であって、
利得チェーンを使用してアナログ入力信号を増幅することと、
前記アナログ入力信号と複数のアナログ-デジタルコンバータ(ADC)からの複数のADC出力との間の利得を選択することであって、前記複数のADCは、第1のADCと、第2のADCとを備え、各ADC出力は、出力経路を有し、各出力経路の利得は、前記利得チェーンにおける利得段から構成される、ことと、
混合出力=αE first +(1-α)E second に従って前記複数のADC出力を単一の混合出力に組み合わせることであって、
式中、
first は、前記第1のADCの出力であり、
second は、前記第2のADCの出力であり、
αは、1からゼロに変動する混合パラメータである、こと
を含み、
前記利得チェーンにおける前記利得段はそれぞれ、1つまたは複数のスイッチバンクを介して前記複数のADCのそれぞれに接続される、方法。
1. A method comprising:
amplifying an analog input signal using a gain chain;
selecting a gain between the analog input signal and a plurality of analog-to-digital converter (ADC) outputs from a plurality of ADCs, the plurality of ADCs comprising a first ADC and a second ADC, each ADC output having an output path, the gain of each output path being configured from a gain stage in the gain chain;
combining the multiple ADC outputs into a single mixed output according to mixed output=αE first +(1−α)E second ;
In the formula,
E first is the output of the first ADC;
E second is the output of the second ADC;
α is a mixing parameter that ranges from 1 to zero;
wherein each of the gain stages in the gain chain is connected to each of the plurality of ADCs via one or more switch banks.
前記利得チェーンは、第1の部分と、第2の部分とを備え、
前記第1の部分は、前記第1のADCに接続され、前記第2の部分は、前記第2のADCに接続される、請求項19に記載の方法。
the gain chain comprises a first portion and a second portion;
20. The method of claim 19 , wherein the first portion is connected to the first ADC and the second portion is connected to the second ADC.
2つの出力経路を独立して高範囲経路および低範囲経路に構成することと、
前記低範囲経路からの第1の利得を適用し、前記アナログ入力信号を変換することと、
前記高範囲経路からの第2の利得を適用し、前記アナログ入力信号を変換することであって、前記第2の利得は、前記第1の利得よりも低い、ことと、
前記低範経路の出力を前記高範経路の出力と組み合わせること
をさらに含む、請求項19に記載の方法。
configuring two output paths independently into a high range path and a low range path;
applying a first gain from the low range path to convert the analog input signal;
applying a second gain from the high range path to convert the analog input signal, the second gain being lower than the first gain; and
combining an output of said low range path with an output of said high range path ;
20. The method of claim 19 , further comprising:
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